Oxidation State Localized Orbitals: A Method for Assigning Oxidation States Using Optimally Fragment-Localized Orbitals and a Fragment Orbital Localization Index

原子轨道 分子轨道 氧化态 基准集 化学 密度泛函理论 价键理论 分子轨道理论 价(化学) 离子键合 配位场理论 物理 化学物理 计算化学 分子 电子 金属 量子力学 离子 有机化学
作者
Martí Gimferrer,Abdulrahman Aldossary,Pedro Salvador,Martin Head-Gordon
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:18 (1): 309-322 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.1c01011
摘要

Oxidation states represent the ionic distribution of charge in a molecule and are significant in tracking redox reactions and understanding chemical bonding. While effective algorithms already exist based on formal Lewis structures as well as using localized orbitals, they exhibit differences in challenging cases where effects such as redox noninnocence are at play. Given a density functional theory (DFT) calculation with chosen total charge and spin multiplicity, this work reports a new approach to obtaining fragment-localized orbitals that is termed oxidation state localized orbitals (OSLO), together with an algorithm for assigning the oxidation state using the OSLOs and an associated fragment orbital localization index (FOLI). Evaluating the FOLI requires fragment populations, and for this purpose a new version of the intrinsic atomic orbital (IAO) scheme is introduced in which the IAOs are evaluated using a reference minimal basis formed from on-the-fly superposition of atomic density (IAO-AutoSAD) calculations in the target basis set and at the target level of theory. The OSLO algorithm is applied to a range of challenging cases including high valent metal oxide complexes, redox noninnocent NO and dithiolate transition metal complexes, a range of carbene-containing TM complexes, and other examples including the potentially inverted ligand field in [Cu(CF3)4]-. Across this range of cases, OSLO produces generally satisfactory results. Furthermore, in borderline cases, the OSLOs and associated FOLI values provide direct evidence of the emergence of covalent interactions between fragments that nicely complements existing approaches.

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