TY  - THES
A1  - Leußer, Dirk
T1  - S=N versus S+-N-
T1  - S=N versus S+-N-
N2  - The main aim of this thesis was to characterise structurally four sulfur-nitrogen compounds in terms of their experimental electron density distribution: Sulfurdiimide S(NtBu)2 (I), sulfurtriimide S(NtBu)3 (II), methyl(diimido)sulfinic acid H(NtBu)2SMe (III) and methylene-bis(triimido)sulfonic acid CH2{S(NtBu)2(HNtBu)}2 (IV). The electron density was determined by multipole refinements on high-resolution X-ray data at low temperatures. The refined densities were analysed by means of Bader’s theory of ‘Atoms in Molecules’ to get information about the bonding types (shared/ closed shell), bond strengths, and the extent of polarisation. The distributions of the static deformation densities, which already showed the most important electronical features as lone-pairs and bonding densities, were calculated for all compounds. The spatial distributions provided a first impression about the bonding properties. The nitrogen lone-pair densities were found to be inclined towards the electropositive sulfur atoms. In II, III and IV the spatial distributions already suggested sp3 hybridisation of the nitrogen atoms. In I gradual differences between the E/Z and Z/Z oriented NtBu groups were visualised. The charge density distribution was analysed along the bond paths, which showed some of the S,N bonds to be considerably bent. In the central part of the thesis detailed topological analyses of the electron density distributions were performed. All BCPs and the related electronical properties as the electron density, the negative Laplacian, the eigenvalues of the Hessian matrix, and several values, which can be deduced from these, were calculated. Due to the low number of comparable published compounds, internal scaling facilitated by III and IV led to system-specific ranking of the S-N and S-C bonds in terms of bond type (shared vs. closed shell), bond order, and bond strength. To quantify bond polarisation a criterion was developed which relates shifts in the BCPs to electron transfer from the electropositive to the electronegative bonding partner. The distributions of the Laplacian were determined for all S-E (E = N, C) bonds because of their fundamental importance for the classification of atomic interactions. Furthermore, the spatial distribution of the negative Laplacian with respect to all important bonds was determined around the central sulfur and nitrogen atoms. The analyses led to detailed information about the S,N interactions. A calculation of the reactive surfaces where the Laplacian equals zero revealed possible reaction pathways of nucleophilic attacks to the central sulfur atoms. All nitrogen atoms in H(NtBu)2SMe (III) as well as in CH2{S(NtBu)2(HNtBu)}2 (IV) are predominantly sp3 hybridised. The S,N bonds should therefore be formulated as S+–N– single bonds, strengthened and shortened by electrostatic reinforcement. In S(NtBu)2 (I) the sp2 hybridisation of the nitrogen atoms was verified. All topological criteria unearthed the inequality of the formally equivalent S=N double bonds. The differences were assigned to the molecular E/Z conformation in the solid state. Interaction between the in-plane lone-pair density of the nitrogen and the sulfur atom located at the same side causes the non-bonding charge concentration at the sulfur atom to be dislocated into the second S–N bond. The existence of a delocalised 3-centres-2-electrons system within the planar SN2 core was assumed to be formed by non-hybridised p-orbitals. An effective delocalisation was found to be possibly disturbed by a weak intermolecular S...S interaction. The interpretation of the S,N interaction in S(NtBu)3 (II) was not straightforward, since the electron density distribution showed both, indicators for multiple bonding as well as for sp3 hybridisation of the nitrogen atoms, which verifies the formulation of a S+–N– bonding mode. The bonding situation in S(NtBu)3 was identified as an intermediate state between that of a delocalised 4-centres-6-electrons system formed by non-hybridised p-orbitals within the planar SN3 unit and that of a S+–N– system.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die strukturelle Charakterisierung von vier für unsere Arbeitsgruppe grundlegenden molekularen Schwefel-Stickstoffverbindungen, sowie deren Elektronendichteverteilung mit experimentellen Mitteln zu bestimmen: Schwefeldiimid S(NtBu)2 (I), Schwefeltriimid S(NtBu)3 (II), Methyl(diimido)sulfin-säure H(NtBu)2SMe (III) und Methylen-bis(triimido)sulfonsäure CH2{S(NtBu)2-(HNtBu)}2 (IV). Die Ergebnisse wurden aus hochauflösenden Röntgenbeugungsexperimenten an Einkristallen bei tiefen Temperaturen mit anschließender Multipolverfeinerung gewonnen. Die so erhaltenen experimentellen Elektronendichteverteilungen wurden einer topologischen Analyse nach dem Bader-Formalismus der ‘Atoms in Molecules’ unterzogen. Ziel dieser Analysen war die Charakterisierung der atomaren Wechselwirkungen innerhalb der Moleküle nach Kriterien wie Bindungstyp (kovalent/ionisch), Bindungsstärke oder Polarisationsgrad. Es wurden die statischen Deformationsdichteverteilungen in allen Verbindungen bestimmt. Diese zeigten, dass die wichtigsten elektronischen Strukturmerkmale modelliert wurden. Die freien Elektronenpaare und Bindungsdichten in den zentralen Einheiten konnten beschrieben werden und ihre Symmetrie lieferte erste Anhaltspunkte für die Klassifizierung der Wechselwirkungen. Die freien Elektronenpaare an den Sticksoffatomen sind durchweg in Richtung des elektropositiven Schwefelatoms orientiert. In II, III und IV lieferte die räumliche Orientierung der freien Elektronenpaare erste Hinweise auf eine mögliche sp3-Hybridisierung der Sticksoffatome. In I wurden die graduellen Unterschiede zwischen den formal äquivalenten NtBu-Gruppen durch ihre unterschiedlichen Deformationsdichteverteilungen verdeutlicht. Des Weiteren wurden die Elektronendichteverteilungen entlang der S-N und S-C Bindungspfade analysiert, was Rückschlüsse auf Spannungen innerhalb der Bindungen erlaubte. Im zentralen Teil der Arbeit wurden die verfeinerten Elektronendichteverteilungen aller vier Verbindungen einer ausführlichen topologischen Analyse unterzogen. Dabei wurden zunächst alle bindungskritischen Punkte sowie die Elektronendichte, der Wert der negativen Laplacefunktion und die Eigenwerte der Hessematrix am kritischen Punkt als auch verschiedene Kriterien, die sich aus diesen Werten ableiten, berechnet. Durch interne Skalierung, sowie Einordnung in die wenigen literaturbekannten Beispiele, wurden die S-N und S-C Bindungen nach Typus (kovalent/ionisch), Bindungsordnung und Stärke klassifiziert. Um Polarisationseffekte zu quantifizieren, wurde ein Kriterium entwickelt, das über die Lage des kritischen Punktes in den S-N Bindungen einen Quotienten definiert, dessen Wert ein Maß für Polarisation infolge eines Elektronendichtetransfers vom elektropositiveren Schwefelatom zum elektronegativeren Stickstoffatom ist. Als wichtigste Größe für die Klassifizierung atomarer Wechselwirkung wurde die Verteilung der Laplacefunktion für alle S-E (E = N, C) Bindungen bestimmt. Sowohl in allen relevanten Ebenenschnitten als auch für die zentralen Einheiten (S, N) in dreidimensionalen Volumina wurde die Laplacefunktion mit hoher Auflösung berechnet. Die Analysen lieferten ein detailliertes Bild der Bindungssituation. Über die Bestimmung der reaktiven Oberfläche als Isofläche konnten mögliche Reaktionswege eines Nucleophils zum elektropositiven Zentrum aufgezeigt werden. Sowohl für die Methyl(diimido)sulfinsäure H(NtBu)2SMe (III) als auch für die Methylen-bis(triimido)sulfonsäure CH2{S(NtBu)2(HNtBu)}2 (IV) ließen die Topologien ausschließlich die Formulierung sp3-hybridisierter Sticksoffatome zu, welche infolge ausgeprägter Polarisation S+–N– Einfachbindungen ausbilden, die durch elektrostatische Rückbindung verstärkt und damit auch verkürzt werden. Im Falle des Schwefeldiimides S(NtBu)2 (I) wurde die sp2-Hybridisierung der Stickstoffatome verifiziert. Die weiteren Kriterien lieferten ein zunächst widersprüchliches Bild der beiden formal äquivalenten S=N Bindungen. Die Unterschiede in den Bindungen lassen sich durch die unterschiedliche Ausrichtung der freien Elektronenpaare an den Stickstoffatomen erklären. Die Wechselwirkung des freien N-Elektronenpaares auf der gleichen Seite wie das S-Elektronepaar mit dem elektropositiven Schwefelatom bewirkt seinerseits die Neigung des S-Paares zur zweiten S–N Bindung. Als zutreffendste Beschreibung der Bindungssituation wurde die Existenz eines delokalisierten 3-Zentren-2-Elektronen Systems in der SN2 Einheit, gebildet aus nicht-hybridisierten p-Orbitalen, vorgeschlagen. Effektive Delokalisation ist möglicherweise durch intermolekulare S...S Wechselwirkungen gestört. Die Beschreibung der S,N Wechselwirkung im Schwefeltriimid S(NtBu)3 (II) bereitete die größten Schwierigkeiten, da sowohl Anzeichen für eine sp3-Hybridisierung der Stickstoffatome als auch Mehrfachbindungscharakteristika gefunden wurden. Die S,N Wechselwirkungen in S(NtBu)3 wurden als Übergangssituation zwischen dem Typus des delokalisierten 4-Zentren-6-Elektronen Systems und dem der Ladungstrennung infolge ausgeprägter Polarisation klassifiziert.
KW  - Schwefelverbindungen
KW  - Stickstoffverbindungen
KW  - Elektronendichte
KW  - Räumliche Verteilung
KW  - Elektronendichteverteilung
KW  - Multipolverfeinerung
KW  - Topologie
KW  - kritische Punkte
KW  - Bindungspolarisation
KW  - charge density
KW  - electron density distribution
KW  - multipole refinement
KW  - topology
KW  - critical points
KW  - bond polarisation
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3437
ER  -