The Highest Oxidation States of the 5d Transition Metals : a Quantum-Chemical Study

Die höchsten Oxidationsstufen der 5d Übergangsmetalle: Eine quantenchemische Studie

  • The theoretical work presented in this thesis is concerned with the highest possible oxidation states of the 5d transition metal row. Based on a validation study of several DFT functionals against accurate coupled-cluster CCSD(T) methods we will present calculations on a series of new high oxidation state HgIV species. Quantum-chemical calculations have also been applied to various fluoro complexes of gold in oxidation states +V through +VII to evaluate the previously claimed existence of AuF7. The calculations indicate clearly that the oxidatiThe theoretical work presented in this thesis is concerned with the highest possible oxidation states of the 5d transition metal row. Based on a validation study of several DFT functionals against accurate coupled-cluster CCSD(T) methods we will present calculations on a series of new high oxidation state HgIV species. Quantum-chemical calculations have also been applied to various fluoro complexes of gold in oxidation states +V through +VII to evaluate the previously claimed existence of AuF7. The calculations indicate clearly that the oxidation state (+V), e.g., in [AuF5]2, remains the highest well-established gold oxidation state. Further calculations on iridium in oxidation state (+VII) show that IrF7 and IrOF5 are viable synthetic targets, whereas higher oxidation states of iridium appear to be unlikely. Structures and stabilities of several osmium fluorides and oxyfluorides were also studied in this thesis. It is shown that homoleptic fluorides all the way up to OsF8 may exist. Combining the results of the most accurate quantum-chemical predictions of this thesis and of the most reliable experimental studies, we observe a revised trend of the highest oxidation states of the 5d transition metal row. From lanthanum (+III) to osmium (+VIII), there is a linear increase of the highest oxidation states with increasing atomic number. Thereafter, we observe a linear descent from osmium (+VIII) to mercury (+IV). We will also present a short outlook to the transition metals of the 3d and 4d row and their highest reachable oxidation states.show moreshow less
  • In der vorliegenden theoretischen Arbeit wurden mittels quantenchemischer Methoden die höchsten Oxidationsstufen der späten Übergangselemente untersucht. Um eine adäquate Beschreibung dieser Systeme zu gewährleisten, wurde zuerst eine Validierungsstudie verschiedener Dichtefunktionale, die mit hochgenauen coupled-cluster CCSD(T) Berechnungen verglichen wurden, durchgeführt. Das zugrundeliegende Referenzsystem war Quecksilber in der Oxidationsstufe +IV (HgF4, HgCl4, HgH4). Es wurden Strukturoptimierungen von Minima und Übergangszuständen, AtomisIn der vorliegenden theoretischen Arbeit wurden mittels quantenchemischer Methoden die höchsten Oxidationsstufen der späten Übergangselemente untersucht. Um eine adäquate Beschreibung dieser Systeme zu gewährleisten, wurde zuerst eine Validierungsstudie verschiedener Dichtefunktionale, die mit hochgenauen coupled-cluster CCSD(T) Berechnungen verglichen wurden, durchgeführt. Das zugrundeliegende Referenzsystem war Quecksilber in der Oxidationsstufe +IV (HgF4, HgCl4, HgH4). Es wurden Strukturoptimierungen von Minima und Übergangszuständen, Atomisierungsenergien sowie die entsprechenden Zerfallsreaktionen für die Systeme betrachtet. Basierend auf diesen Ergebnissen konnten weitere HgIV Systeme mit sogenannten „Weakly Coordinating Anions“ wie z.B. [OTeF5]-, [AsF6]-, [Sb2F11]- usw. unter Verwendung von Dichtefunktionalmethoden untersucht werden. Die beiden Verbindungen Hg[OTeF5]4 und Hg[AsF6]4 scheinen dabei die Oxidationsstufe +IV am besten zu stabilisieren. Quantenchemische Methoden wurden ebenfalls zur Berechnung von Fluorkomplexen des Goldes in den Oxidationsstufen von +V bis +VII verwendet. Dabei wurde insbesondere überprüft, ob das angeblich experimentell gefundene AuF7 tatsächlich existiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine Existenz von AuF7 unter den in der Literatur angegebenen Bedingungen sehr wahrscheinlich ausgeschlossen werden kann. Diese Instabilität wird ebenfalls für das quantenchemisch untersuchte AuF6 beobachtet. Somit bleibt die Oxidationsstufe +V in [AuF5]2 die höchste erreichbare Oxidationsstufe für Gold. Basierend auf coupled-cluster CCSD(T) Berechnungen konnten die Verbindungen des Iridiums in der Oxidationsstufe +VII (IrF7, IrOF5) als thermochemisch stabil vorhergesagt werden, wohingegen die höheren Iridiumverbindungen des IrVIII und IrIX sehr unwahrscheinlich sind. Außerdem wurden Strukturen und Stabilitäten verschiedener Osmiumfluoride und Oxyfluoride in dieser Arbeit diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass ausgehend von OsF6 auch die höheren Verbindungen OsF7 und OsF8 experimentell zugänglich sein sollten. Kombiniert man die in dieser Arbeit vorhergesagten Verbindungen in ihren höchsten Oxidationsstufen mit den verlässlichsten experimentellen Untersuchungen, so beobachtet man einen revidierten Trend der höchsten Oxidationsstufen der 5d-Übergangsmetallreihe: Direkt proportional zur Ordnungszahl steigen die höchsten Oxidationszahlen zunächst linear an, von Os (+VIII) bis hin zu Hg (+IV) kann ein linearer Abfall beobachtet werden. Abschließend werden in dieser Arbeit die höchsten Oxidationsstufen der 3d und 4d Übergangsmetalle in einer kurzen Übersicht vorgestellt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sebastian Hasenstab-Riedel
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-19402
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Institut für Anorganische Chemie
Date of final exam:2006/09/29
Language:English
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
GND Keyword:Coupled Cluster; Dichtefunktionalformalismus; Fluoride; Oxidationszahl; Übergangsmetall
Tag:Coupled-Cluster; Dichtefunktionaltheorie; Fluoride; Oxidationsstufen; Übergangselemente
Coupled-Cluster; Density functional theory; Fluorides; Oxidation states; Transition metals
Release Date:2006/09/29
Advisor:Prof. Martin Kaupp