Quantum mechanical investigations of the dynamical and spectroscopic properties of compounds containing heavy elements : the CuNO case study

par Balasubramoniam Murali Krishna

Thèse de doctorat en Chimie informatique et théorique

Sous la direction de Roberto Marquardt.

Soutenue le 20-12-2012

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....) , en partenariat avec Institut de chimie (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Fabien Gatti.

Le jury était composé de Alex Jacques Boeglin.

Les rapporteurs étaient Hans-Joachim Werner.

  • Titre traduit

    Investigation quantique des propriétés dynamiques et spectroscopiques de composées contenant des éléments lourds : étude du cas CuNO


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons optimisé avec succès tous les paramètres pour calculer l'état fondamental du systéme neutre [N,O, Cu]. L'étude de réactions impliquant NO et des métaux de transition est particulièrement intéressante pour le développement de catalyses efficaces pour la réduction de NO, en vue de sonder la possibilité d'une catalyse homogène impliquant les fragments Cu et NO; une prévision précise de la nature de l'interaction entre ces deux fragments est nécessaire en phase gaz. Il a été montré que les calculs MCSCF incluant 12 racines sont nécessaires pour avoir une convergence propre mais donnent des états inversés, l'asymptote. Pour décrire proprement l'état fondamental, nous utilisons les calculs MRCI sur 6 états par espèce de symétrie simultanément. Aussi nous montrons par calculs MRCI, que l'espace actif peut contenir tous les électrons 3d de Cu pour décrire précisément le système. Ici nous utilisons un CAS (22, 13) qui est proche de l'espace de valence complète du système. Nous avons développé une SEP analytique globale qui peut être utilisée pour modéliser les données ab initio obtenues. L'état lié est un état 1 A’ avec une énergie de rCu = 2.382 pm, rNO = 1.134 pm et tCu = 133.495. Nous avons également effectué des calculs précis sur l'état électronique fondamental et sur les états électroniques excités des diatomiques CuO et CuN et obtenu l'énergie de dissociation qui a ensuite été utilisée comme paramètre d'ajustement dans la représentation analytique. Les fondamentaux vibrationnels calculés se comparent bien avec les données expérimentales disponibles. Le potentiel analytique a été utilisé avec succès avec les meilleurs paramètres ajustés pour effectuer des calculs de dynamique quantique sur le complexe, dont les résultats indiquent une diffusion réactive avec un transfert de l'énergie translatoire vers l'énergie vibrationnelle dans le domaine de temps de la femtoseconde. Des résultats plus avancés non-inclus dans ce résumé impliquent des calculs CCSD(T), incluant des corrections relativistes, et une fusion originale entre les données MRCI et CCSD(T) et modélisées avec la SEP analytique, dont les résultats donnent un puit de potentiel plus profond et réduisent la distance de liaison rCu (distance Cu-NO). Nous avons aussi effectué des études de dynamique quantique avec un facteur d'impact variant (J > 0) et une diffusion des énergies de collision, toutes deux dans une approche soit isotrope, soit directionnelle du paquet d'onde initial.


  • Résumé

    This thesis aims at validating a theoretical protocol to develop global potential energy surfaces for use in the spectroscopy and dynamics of transition metal nitrosyl complexes. To get an insight into the homogeneous catalysis of NO with Cu and the chemical reaction dynamics, an accurate prediction of the nature of the interaction, as well as of the global potential energy surfaces (PES) is necessary in the gas phase. Experimental data are difficult to obtain, hence the importance of carrying out calculations of the lowest electronic states as accurate as possible to address the structure , spectroscopy and dynamics of this system. All ab initio calulations we report here were performed at the multi-reference configuration interaction (MRCI) and at the coupled cluster level of theory. We aslo investigate the importance of relativistic effects in the systems. For CuNO system, it is shown that a complete active space involving 18 valence electrons, 11 molecular orbitals and the prior determination of 12 roots in the MCSCF calculation is needed for overall qualitatively correct results from the MRCI calculations. The present calculations yield a bound singlet A' ground state for CuNO and comparared with previous results. We have obtained new, complete potential energy functions of the ground electronic states of CuO and CuN systems. Comparison of the term values for the lowest electronic states of CuO and CuN with those previously reported in the literature shows a quite good agreement. We derived a novel analytical representation of the adiabatic potential energy surface in the ground electronic state of the CuNO system as a sum of two-body and three-body terms. This compact and flexible representation enables us to make a physically correct interpolation of the ab initio data points at the MRCI level of theory. We use a modified Levenberg-Marquardt algorithm for fitting the potential, which has 19 adjustable parameters and which now enables us to do scattering dynamics of the CuNO system. We perform full dimensional quantum dynamical studies with this new potential. Convergence of the time dependent wavepacket calculation has been achieved. We find that the scattering in CuNO is highly inelastic. Intermediate, excited meta stable reaction products CuNO∗ live for about 0.5 to 1 ps and maybe more.


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