aromaticity and electronic delocalization in all-metal clusters with single, double, and triple...

32

Upload: jordipoater

Post on 21-Jul-2015

1.151 views

Category:

Education


0 download

TRANSCRIPT

J.  Poater,  F.  Feixas,  E.  Ma,to,  M.  Duran,  M.  Solà  

Ins$tute  of  Computa$onal  Chemistry    

Universitat  de  Girona  (Catalonia,  Spain)  

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

III.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  INORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

V.  CONCLUSIONS  

The  concept  of  “aroma,city”  is  oMen  invoked  in  organic  chemistry  textbooks  and  research  works  to  explain  a  number  of  chemical  phenomena.  

Terms  appearing  as  ar,cle  ,tle,  keywords,  or  abstract    

ISI  (2000-­‐2010)  

In  2009,  in  every  2  hours  appeared  a  paper  in  which  benzene  is  in  the  ,tle,  keywords  or  the  abstract!    

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

How  to  measure  aroma,city?  

  Aroma,city  is  not  an  observable,  then  there  is  not  a  unique  and  generally  accepted  measure  of  aroma,city.  

 Many  criteria  have  been  used  to  develop  indices  of  aroma,city:  –  Energe,c  (ASEs,  REs,…)  –  Structural  or  Geometrical  (HOMA,…)  –  Magne,c  (NICS,  ring  currents,  1H  NMR…)  –  Electronic  (hardness,  ELF,  DIs…)  

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

   Energe,c,  structural,  magne,c,  and  electronic  criteria  are  easily  measurable  but  unfortunately  they  do  not  always  give  consistent  results  among  themselves  →  Mul,dimensional  phenomenon.  

It  is  your  favorite  index  of  aroma,city  be`er  than  mine  ?  

   Many  authors  recommend  to  perform  aroma,city  analyses  using  a  set  of  aroma,city  descriptors.  

   Different  indices  afford  divergent  orderings  of  aroma,city  since  one  compound  may  be  more    aroma,c  than  other  in  one  direc,on  and  less  aroma,c  in  another.  

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

It  is  your  favorite  index  of  aroma,city  be`er  than  mine  ?  

   When  a  new  index  is  defined,  usually  the  results    obtained  in  a  set  of  aroma,c  compounds  are  correlated  with  previously  defined  indices  of  aroma,city.  

   The  mul,dimensional  character  of  aroma,city  is    some,mes  used  as  a  generic  excuse  to  consider  any  local  index  of  aroma,city  defined  a  good  descriptor  irrespec,ve  of  the  results  obtained.  

   How  can  one  differen,ate  methods  that  provide    essen,ally  spurious  informaIon  from  those  that  simply  do  not  correlate  because  of  the  mul,dimensional  character  of  aroma,city?  

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

It  is  your  favorite  index  of  aroma,city  be`er  than  mine  ?  

   Fortunately,  the  accumulated  experience  provides  several  examples  for  which  most  chemists  would  agree  about  the  expected  aroma,city  trends.  S,ll  most  aroma,city  descriptors  fail  to  reproduce  certain  basic  chemical  situa,ons.    

   We  propose  to  build  a  set  of  aroma,city  tests  using  a  series  of  such  examples  to  assess  the  quality  of  the  informaIon  derived  from  the  different  indicators.  The  chosen  tests  must  fulfill  two  requirements:  

   The  size  of  the  systems  involved  should  be  small  

   Controversial  cases  must  be  avoided  

I.  INTRODUCTION  TO  AROMATICITY    

Indices  of  aroma,city  analyzed  

  They  are  based  on  bond  length  equaliza,on  between  single  and  double  bonds:  

Ropt  =  1.388  Å  

α  =  257.7  

J.  Kruszewski  and  T.  M.  Krygowski  Tetrahedron  Le>.  1972,  3839.  

M.  K.  Cyranski,  B.  T.  Stepien  and  T.  M.  Krygowski  Tetrahedron  2000,  56,  9663.  

Structural  or  Geometric  criteria  

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

Indices  of  aroma,city  analyzed  MagneIc  criteria  

Aroma,c  rings  have  nega,ve  NICS  values  at  the  center.  

  Aroma,c  ring  π-­‐electrons  are  induced  to  circulate  in  a  strong  magne,c  field  (Ho)  such  that  the  induced  magne,c  field  is  aligned  with  the  applied  field  in  the  vicinity  of  the  aryl  protons,  but  opposes  the  applied  field  causing  shielding  (upfield  shiM)  of  protons  above  and  below  the  ring.  

z  

R  0  

H  0  

O  N  *  

R  av  

R  av  

MagneIc  shielding  tensor  

P.  v.  R.  Schleyer  et  al.,  J.  Am.  Chem.  Soc.  1996,  118,  6317  

Hind  

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

Indices  of  aroma,city  analyzed  Electronic  criteria  

Symmetry   Delocaliza,on  

 The  sums  are  over  occupied  molecular  orbitals.  DIs  measure  the  number  of  electrons  shared  between  atoms  A  and  B.  QTAIM  par,,on  used.  

   The  para-­‐delocaliza,on  index  (PDI)  is  computed  as  an  average  of  all  possible  DI  between  para-­‐related  carbons  in  a  6-­‐MR.  

 The  aroma,c  fluctua,on  index  (FLU)  is  constructed  considering  the  amount  of  electron  delocaliza,on  and  also  taking  into  account  the  similarity  of  electron  delocaliza,on  in  adjacent  atoms  (symmetry).  

  They  are  based  on  the  calcula,on  of  electronic  delocaliza,on  indices  (DIs)  computed  for  closed-­‐shell  HF  or  approximate  DFT  WFs  as:  

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

Indices  of  aroma,city  analyzed  Electronic  criteria  

MulIcenter  delocalizaIon  indices  

    For  monodeterminantal  closed-­‐shell  WFs:  

M. Giambiagi, M. S. de Giambiagi, C. D. dos Santos and A. P. de Figuereido, Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2, 3381

P. Bultinck, R. Ponec and S. van Damme, J. Phys. Org. Chem. 2005, 18, 706

A = {A1, A2, …, AN}    

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

15  PROPOSED  TESTS  

F. Feixas, E. Matito, J. Poater and M. Solà J. Comput. Chem. 2008, 29, 1543

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

F. Feixas, E. Matito, J. Poater and M. Solà J. Comput. Chem. 2008, 29, 1543

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

  The  problem  with  the  calcula,on  of  mul,center  delocaliza,on  indices  is  that  they  are  quite  expensive,  especially  for  large  rings.  It  would  be  convenient  to  have  an  electronic  measure  of  aroma,city  based  on  2c-­‐DIs.  Something  similar  to  PDI  or  FLU  but  more  general  and  effec,ve.    

  First  we  looked  at  the  total  and  total  π  electronic  delocaliza,on  taking  into  account  the  4n+2  Hückel’s  rule  we  should  have:  

+ 2 e- + 2 e-

+ 2 e- + 2 e-

F. Feixas, E. Matito, M. Solà, J. Poater, J. Phys. Chem. A 2008, 112, 13231

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

B3LYP/6-­‐311G(d,p)  

 Δ1=P(N)-­‐P(N-­‐2)    Δ2=P(N+2)-­‐P(N)   diff=Δ2-­‐Δ1  

F. Feixas, E. Matito, M. Solà, J. Poater, J. Phys. Chem. A 2008, 112, 13231

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

δ1-­‐2  

δ1-­‐3  δ1-­‐4  

δ1-­‐2  

δ1-­‐3  

δ1-­‐4  δ1-­‐5  

δ1-­‐2  

δ1-­‐3  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

F. Feixas, E. Matito, M. Solà, J. Poater, Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 7126

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

δ1-2 δ1-3 δ1-4 δ1-2 δ1-3 δ1-4 δ1-5

4,5-MR 6,7-MR 8,9-MR

δ1-2 Decrease Increase Decrease

δ1-3 Increase Decrease Increase

δ1-4 Increase Decrease

δ1-5 Increase

4,5-MR 6,7-MR 8,9-MR

δ1-2 Increase Decrease Increase

δ1-3 Decrease Increase Decrease

δ1-4 Decrease Increase

δ1-5 Decrease

AROMATIC 4N±2

ANTIAROMATIC 4N

AROMATIC 4N±2

ANTIAROMATIC 4N

C8H82-

C8H82+

C8H8

C6H62-

C6H62+

C6H6

F. Feixas, E. Matito, M. Solà, J. Poater, Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 7126

II.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  CLASSICAL  ORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

F. Feixas, J. O. C. Jiménez-Halla, E. Matito, J. Poater and M. Solà J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1118

III.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  INORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

F. Feixas, J. O. C. Jiménez-Halla, E. Matito, J. Poater and M. Solà J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1118

  The  examples  analyzed  show  that  there  is  not  yet  a  single  indicator  of  aroma,city  that  works  properly  for  all  cases.  It  is  important  in  this  context  to  inves,gate  the  strong  and  weak  points  of  the  different  indexes.  

  According  to  our  results,  the  best  indicators  of  aroma,city  are  the  electronic  indices  based  on  the  calcula,on  of  mul,center  delocaliza,on  indices.  

III.  INDICES  OF  AROMATICITY  IN  INORGANIC  AROMATIC  MOLECULES  

Al42-­‐,  the  all-­‐metal  aroma,c  cluster  

•  Al42-­‐  is  the  quitessen,al  all-­‐metal  aroma,c  cluster.  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

•  Confirmed  aroma,city.  

•  1  pair  of  delocalized  π-­‐e  and  2  pairs  of  σ-­‐e  (MOs  with  orthogonal  radial  and  tangen,al  direc,ons).  

Al42-­‐,  the  all-­‐metal  aroma,c  cluster  

•  π  delocaliza,on  slightly  larger  than  σ.  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

•  Al44-: antiaromatic 4π-e system. •  Al4: aromaticity depending on the orbital. •  MCI does not provide information about antiaromaticity. •  δα1,3 is computationally much cheaper.

C4v  Al42-­‐  +  ca,on  

•  Aroma,city:  Al42-­‐  >  LiAl4-­‐  >  NaAl4-­‐  >  CuAl4-­‐  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

•  Reduc,on  more  important  for  π  than  σ  component  due  to  par,al  transfer  of  the  2π-­‐e  from  Al42-­‐  to  the  ca,on.  

Al4  +  ca,ons  

•  From  Al44-­‐  to  Li2Al42-­‐  there  is  an  important  decrease  of  the  an,aroma,c  π-­‐character:  par,al  transfer  from  Al4  to  Li+.  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

•  Aroma,city:  Li2Al42-­‐  >  Li3Al4-­‐  =  Li4Al4  

Symmetry  distor,on  of  Al42-­‐    

•  Expected  trend:  Al42-­‐  >  Al3Ge-­‐  ≥  Al2Ge2  ≤  AlGe3+  >  Ge42+  (reduc,on  of  symmetry  and  subs,tu,on  by  more  electronega,ve  Ge).  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

Symmetry  distor,on  of  Al42-­‐    IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

Transi,on-­‐metal  rings  

•  Cu3+  is  σ-­‐aroma,c.  

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

•  CunHn  cannot  be  considered  as  aroma,c.  

•  Y3-­‐  and  La3-­‐  are  first  reported  transi,on-­‐metal  systems  with  double  σ-­‐  and  π-­‐aroma,city.  

δ-­‐aroma,city  IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

δ-­‐aroma,city  

•  5Ta3-­‐:  strong  overlap  between  σ  2e’  and  δ  3a1’.  

•  3Hf3:  Single  occupa,on  of  e’’  orbitals.        

IV.  SINGLE,  DOUBLE  AND  TRIPLE  AROMATIC  CHARACTER  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

Conclusions  

•  The  quan,ta,ve  evalua,on  of  aroma,city  in  inorganic  clusters  is  cumbersome  due  to  the  lack  of  aroma,c  inorganic  systems  that  can  be  used  as  a  reference.  

V.  CONCLUSIONS  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

•  The  aroma,city  of  these  species  can  only  be  assessed  by  the  use  of  the  simple  Hückel’s  4n  +  2  rule  and  the  calcula,on  of  the  NICS  and  MCI  descriptors.  

•  MCI  of  planar  (or  pseudo-­‐planar)  species  can  be  separated  into  the  σ-­‐,  π-­‐,  and  δ-­‐components.  These  MCIα  (α  =  σ,  π,  and  δ)  indices  provide  quan,ta,ve  valuable  informa,on  about  the  type  of  aroma,city  that  a  certain  aroma,c  inorganic  cluster  has.  

Conclusions  

•  The  crossed  term  corresponding  to  the  two  farthest  atoms  in  the  ring  (i.e.,  δπ1,3  in  4-­‐MRs)  decreases  also  in  aroma,c  inorganic  species  when  two  electrons  are  added  or  removed  and  that  this  crossed  term  is  higher  for  the  most  aroma,c  molecule  in  a  series  of  same-­‐membered  rings.    

V.  CONCLUSIONS  

F. Feixas, E. Matito, M. Duran, J. Poater and M. Solà Theor. Chem. Acc. 2011, 128, 419

•  Consequently,  this  crossed  term,  which  is  less  computa,onally  demanding  than  MCI,  is  also  a  good  descriptor  of  aroma,city  in  all-­‐metal  and  semimetal  clusters.