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振动光谱中的拉曼光谱数据及其数学分析的重要性是什么? 1

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为了充分利用振动光谱,除了红外光谱外,还需要获取拉曼光谱数据,并进行数学分析以得出力常数的值。力常数在定量认识键合关系方面起着重要作用。

即使对于单核金属羰基合物的振动光谱进行精细分析也十分复杂。之前已经对第六族羰基合物(M(CO)6,M=Cr,Mo,W)以及Ni(CO)4的振动光谱进行了详细处理。这些气相分子中C-O力常数分别为:Cr 17.2;Mo 17.3;W 17.2和Ni 17.9md/Å。CO+中CO三重键的力常数为19.8,双键时为12-13。因此,在M(CO)6分子和Ni(CO)4分子中,CO的键级约为2.65和2.75。这些分子的M-C键的伸缩力常数分别为:Cr 2.08;Mo 1.96;W 2.36;Ni 2.02。CO的力常数表明Ni(CO)4中的π键比Cr(CO)6弱,而M-C的力常数的相似性似乎表明Ni的σ键强于Cr。需要谨慎对待这类论据,除非差距很大,因为CO键强度不仅受到反馈π键的影响,还受到σ键的影响,这是由于σ给予轨道多少总是CO反键轨道的缘故。

为了得到上述讨论结果,需要大量的工作量。因此,人们尝试从有限的数据和简单的概念出发,创造一些计算力常数的简便方法。其中最广泛应用的方法是Cotton-Kraihanzel(CK)方法,也有其他作者介绍过类似的近似方法。CK方法中最重要的近似方法是仅从CO的伸缩频率计算CO的力常数。在简单的金属羰基合物中,CO的伸缩频率比其他振动频率高得多(>1850厘米-1),许多羰基衍生物也是如此。这种近似方法的主要缺点是得到的力常数不是“绝对的”,但在一系列相似分子中,它们对绝对值的偏差大致是一个固定的常数。因此,得到的力常数相对值以及相似分子间力常数的差值是相对可靠的。

除了CK方法,还有其他一些假设,根据振动光谱的精细分析结果,这些假设的正确性是可以验证的。为了简化方程式并方便应用,还采用了两个进一步的近似处理。(1)使用实际的基频而忽略了这些振动并不是真正简谐的事实。(2)假设顺式和反式CO基之间的相互作用常数通过简单的方式相关联。这种假设是基于CO基之间的偶合完全归因于同金属d轨道作用的电子效应。第一个假设不够真实,非简谐振动的影响约为20-30厘米-1,但与不同模式振动对谱带的影响(典型的≤100厘米-1)相比,两者是可以区分的。对于偶合的原因,大部分可以归因于电子效应,但毫无疑问,部分应该来自不同CO基的振动偶极间的直接静电作用。

尽管如此,例如CK近似方法的简化处理(不仅限于CK法)可用于验证相关数据,并提供比直接使用实验频率更好的手段,因为它不需要对分子中两个或更多CO基伸缩之间的相互作用效应进行任何经验性修正。

在CK方法中,有一个特殊的概念,即同一金属原子上的两个CO基伸缩的偶合常数是正的。从定性角度看,这是有实验依据的,并且广泛应用于M(CO)n光谱的解释。从物理学角度来说,这意味着CO同相伸缩模式比异相伸缩模式具有更高的频率。换句话说,一个伸缩的CO基会使另一个CO基在同一时间内难以伸缩。即使在CK近似方法中只考虑反馈键的影响或偶极相互作用时,这种规则已经被预测到,因此在所有因素起作用时,这种规则更容易预测和理解。

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