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乙二胺四乙酸和乙二胺四亚甲基膦酸清除铁垢性能的量子化学计算

赵晓洋 唐静 刘伟 肖信 南俊民

赵晓洋, 唐静, 刘伟, 肖信, 南俊民. 乙二胺四乙酸和乙二胺四亚甲基膦酸清除铁垢性能的量子化学计算[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(3): 35-41. doi: 10.6054/j.jscnun.2020041
引用本文: 赵晓洋, 唐静, 刘伟, 肖信, 南俊民. 乙二胺四乙酸和乙二胺四亚甲基膦酸清除铁垢性能的量子化学计算[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2020, 52(3): 35-41. doi: 10.6054/j.jscnun.2020041
ZHAO Xiaoyang, TANG Jing, LIU Wei, XIAO Xin, NAN Junmin. The Quantum Chemistry Calculation of the Iron Scale Cleaning Performance of Ethylenediaminetetraacetic Acid and Ethylenediaminetetramethylenephosphonic Acid[J]. Journal of South China normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(3): 35-41. doi: 10.6054/j.jscnun.2020041
Citation: ZHAO Xiaoyang, TANG Jing, LIU Wei, XIAO Xin, NAN Junmin. The Quantum Chemistry Calculation of the Iron Scale Cleaning Performance of Ethylenediaminetetraacetic Acid and Ethylenediaminetetramethylenephosphonic Acid[J]. Journal of South China normal University (Natural Science Edition), 2020, 52(3): 35-41. doi: 10.6054/j.jscnun.2020041

乙二胺四乙酸和乙二胺四亚甲基膦酸清除铁垢性能的量子化学计算

doi: 10.6054/j.jscnun.2020041
基金项目: 

广东省自然科学基金项目 2019A1515012028

详细信息
    通讯作者:

    南俊民,教授,Emaill:jmnan@scnu.edu.cn

  • 中图分类号: O641

The Quantum Chemistry Calculation of the Iron Scale Cleaning Performance of Ethylenediaminetetraacetic Acid and Ethylenediaminetetramethylenephosphonic Acid

  • 摘要: 采用密度泛函的B3LYP方法,对所有原子采用DEF2-TZVP基组,以水为溶剂,计算了配合物分子Fe(EDTA)和Fe(EDTMP)的几何结构、轨道和空间位阻,分析了二者溶垢能力差异的原因.结果表明:配合物为低自旋态的六配位八面体结构,EDTA与Fe3+的结合能大于EDTMP的;EDTA由于羧基形成离域π键,加强了配位键的电子离域程度,而EDTMP的膦酸基只有σ键,从而使Fe(EDTA)配位键的共价作用比Fe(EDTMP)的强;Fe(EDTMP)中膦酸基之间存在空间位阻效应,也不利于EDTMP与Fe3+的结合.
  • 图  1  配合物的优化构型

    Figure  1.  The optimized structures of the complexes

    图  2  配合物的RDG等值面和散点图

    Figure  2.  The isosurface diagram of RDG and scatter for the complexes

    图  3  配合物的拓扑分析图

    Figure  3.  The topological analysis graphs of the complexes

    图  4  配合物NBO轨道的相互作用图

    Figure  4.  The NBO orbital interaction graphs of the complexes

    表  1  配合物的结合能和转移电荷

    Table  1.   The binding energies and charge transfer of the complexes

    项目 Fe(EDTA) Fe(EDTMP)
    低自旋 高自旋 低自旋 高自旋
    Ec/eV -64 331.630 -64 332.446 -105 608.224 -105 609.285
    El/eV -29 949.012 -29 949.012 -71 226.151 -71 226.151
    EFe3+/eV -34 368.821 -34 375.025 -34 368.821 -34 375.025
    Eb/eV -13.796 -8.408 -13.252 -8.109
    转移电荷/e 2.708 2.072 2.632 1.959
    注:Ec为配合物的能量;El为配体的能量;EFe3+为Fe3+的能量;Eb为配合物的结合能.
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    表  2  低自旋态配合物的几何结构参数和Fuzzy键级

    Table  2.   The geometry parameters and the Fuzzy bond orders ofthe low-spin complexes

    Fe(EDTA) Fe(EDTMP)
    化学键 键长/nm Fuzzy键级 化学键 键长/nm Fuzzy键级
    Fe—O2 0.196 9 1.065 Fe—O2 0.198 0 1.004
    Fe—O3 0.196 9 1.065 Fe—O3 0.198 0 1.003
    Fe—O4 0.192 5 1.134 Fe—O4 0.192 5 1.089
    Fe—O5 0.192 5 1.134 Fe—O5 0.192 7 1.082
    Fe—N6 0.200 3 0.944 Fe—N8 0.205 7 0.907
    Fe—N7 0.200 3 0.944 Fe—N9 0.205 9 0.907
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    表  3  配合物中部分原子的NPA电荷

    Table  3.   The partial NPA charges of the complexes  e

    Fe(EDTA) Fe(EDTMP)
    原子 NPA电荷 原子 NPA电荷
    Fe 0.734 Fe 0.799
    O2 -0.606 O2 -0.963
    O3 -0.606 O3 -0.966
    O4 -0.635 O4 -0.997
    O5 -0.635 O5 -0.996
    N6 -0.477 N6 -0.472
    N7 -0.477 N7 -0.474
    C26 0.797 P30 2.393
    C28 0.800 P31 2.377
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    表  4  配合物的键临界点的电子密度拓扑性质

    Table  4.   The topological properties of bond critical points of the complexes

    Fe(EDTA) Fe(EDTMP)
    BCP ρ(r) V(r) G(r) H(r) H(r)/ρ(r) BCP ρ(r) V(r) G(r) H(r) H(r)/ρ(r)
    Fe—O2 0.085 -0.140 0.124 -0.015 -0.180 Fe—O2 0.079 -0.130 0.118 -0.011 -0.145
    Fe—O3 0.085 -0.140 0.124 -0.015 -0.180 Fe—O3 0.079 -0.130 0.119 -0.012 -0.146
    Fe—O4 0.095 -0.158 0.142 -0.016 -0.168 Fe—O4 0.091 -0.153 0.140 -0.013 -0.144
    Fe—O5 0.095 -0.158 0.142 -0.016 -0.168 Fe—O5 0.091 -0.152 0.139 -0.013 -0.143
    Fe—N6 0.094 -0.137 0.114 -0.023 -0.242 Fe—N6 0.083 -0.114 0.095 -0.019 -0.230
    Fe—N7 0.094 -0.137 0.114 -0.023 -0.242 Fe—N7 0.083 -0.114 0.095 -0.019 -0.229
    C28—O2 0.353 -1.015 0.413 -0.601 -1.702 P30—O2 0.213 -0.561 0.398 -0.163 -0.765
    C28—O29 0.407 -1.351 0.614 -0.736 -1.810 P30—O27 0.234 -0.668 0.488 -0.180 -0.770
    P30—O34 0.181 -0.425 0.290 -0.135 -0.749
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    表  5  配合物的主要电子供体和受体轨道的E(2)

    Table  5.   The E(2) values of the main electron donor and acceptor orbits of the complexes

    Fe(EDTA) Fe(EDTMP)
    编号 供体 受体 E(2)/
    (kJ·mol-1)
    编号 供体 受体 E(2)/
    (kJ·mol-1)
    1 σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O2 163.960 1’ σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O2 58.644
    2 σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O3 448.681 2’ σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O3 279.196
    3 σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O4 134.826 3’ σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O4 65.927
    4 σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O5 167.350 4’ σ* Fe1—N6 σ* Fe1—O5 76.475
    5 σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O2 442.486 5’ σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O2 283.173
    6 σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O3 166.597 6’ σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O3 58.351
    7 σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O4 167.434 7’ σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O4 77.982
    8 σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O5 134.826 8’ σ* Fe1—N7 σ* Fe1—O5 63.290
    9 LP O3 π* C32—O33 164.420 9’ LP O26 π* O5—P31 42.947
    10 LP O27 π* O5—C26 290.958 10’ LP O28 π* O4—P32 42.989
    11 LP O29 π* O2—C28 277.061 11’ LP O36 π* O29—P33 43.742
    12 LP O31 π* O4—C30 290.958 12’ LP O36 π* O3—P33 42.570
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  • 收稿日期:  2019-12-11
  • 刊出日期:  2020-06-25

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