Impact of ligands on CO2 adsorption in metal-organic frameworks: First principles study of the interaction of CO2 with functionalized benzenes. II. Effect of polar and acidic substituents

化学 分子间力 氢键 结合能 分子 吸附 相互作用能 单独一对 密度泛函理论 化学极性 结晶学 物理化学 立体化学 计算化学 有机化学 物理 核物理学
作者
Antonio Torrisi,Caroline Mellot‐Draznieks,Robert G. Bell
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:132 (4): 044705-044705 被引量:196
标识
DOI:10.1063/1.3276105
摘要

Intermolecular interactions between the CO(2) molecule and a range of functionalized aromatic molecules have been investigated using density functional theory. The work is directed toward the design of linker molecules which could form part of new metal-organic framework materials with enhanced affinity for CO(2) adsorption at low pressure. Here, the focus was on the effect of introducing polar side groups, and therefore functionalized benzenes containing -NO(2), -NH(2), -OH, -SO(3)H, and -COOH substituents were considered. The strongest types of intermolecular interactions were found to be: (i) between lone pair donating atoms (N,O) of the side groups and the C of CO(2) (enhancement in binding energy of up to 8 kJ mol(-1) compared to benzene); and (ii) hydrogen bond interactions between acidic protons (of COOH and SO(3)H groups) and CO(2) oxygen (enhancement of 3-4 kJ mol(-1)). Both of these types of interaction have the effect of polarizing the CO(2) molecule. Weaker types of binding include hydrogen-bond-like interactions with aromatic H and pi-quadrupole interactions. The strongest binding is found when more than one interaction occurs simultaneously, as in C(6)H(5)SO(3)H and C(6)H(5)COOH, where simultaneous lone pair donation and H-bonding result in binding energy enhancements of 10 and 11 kJ mol(-1), respectively.
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