Acs ja ja-2011-01786y



Yüklə 4,89 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə7/7
tarix29.07.2018
ölçüsü4,89 Mb.
#59535
1   2   3   4   5   6   7

9033

dx.doi.org/10.1021/ja201786y |

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9023–9035

Journal of the American Chemical Society

ARTICLE

theoretically some dimers of benzene not yet known and, as



we will show, molecules that should be kinetically persistent.

Here, in Figure 17, we show just the set of dimers that emerge

from this investigation, all local minima on the C

12

H



12

surface.


Of these molecules, 1,

66

2



,

67

3



,

68

11



,

69

and 12



70

are known, as

well as derivatives of 4.

71

These molecules lie (calculated) 36 (3)



À112 (9) kcal/mol

above two benzene molecules. We will give a full account

elsewhere

65

of the calculated barriers to the reversion of these



dimers to two benzenes, as well as other potential escape routes

from their high-energy situation. For the moment, it su

ffices to

say that, for some of the unknown isomers, activation barriers are



likely to be high, and these structures have a very good chance of

kinetic persistence, even at room temperature. One approach to

simulating irregular polymerization of benzene would be to take

this set of dimers and proceed with adding a third and a fourth

molecule of benzene. That remains to be done.

’ CONCLUSION

In this study benzene has been compressed in a sequence of

calculations up to 300 GPa. The computational results show that

the phase I f phase II transition occurs at ∼4 GPa, phase II f

phase III at

∼7 GPa, and phase IIIf phase V at ∼40 GPa. The

agreement with the order of phase transitions found in experimental

studies, especially below 10 GPa, is good. Above 50 GPa, hints that

molecular structures are unstable with respect to saturated, four-

coordinate at C phases

—one-, two-, and three-dimensional—led

us to examine such phases in detail.

We have found that several graphane phases are more stable

than any of the molecular phases over the entire range of pressures

studied, including P = 1 atm. A qualitative argument for that order of

stability is given.

But the molecular phases encounter large

—sometimes very

large


—barriers to rearrangement to a saturated polymer or

network of the graphane type. In particular, phonon dispersion

calculations show that phase III is dynamically stable up to

∼200


GPa and might become metallic before transformation to a

saturated phase. Several simple models for the metallization of

benzene are investigated. We also speculate on the possible

existence of a phase-coherent Kekul

e metal. Finally, in a first

approach to nucleated benzene polymerization, we calculate

the structures of a number of benzene dimers, some known,

some not.

’ ASSOCIATED CONTENT

b

S



Supporting Information.

Details of computed ben-

zene phase structural parameters; simulated X-ray di

ffraction


patterns of benzene phases;

“parallel” phase I and II, “C

6

F

6



Figure 17.

Structures of some benzene dimers.



9034

dx.doi.org/10.1021/ja201786y |

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9023–9035

Journal of the American Chemical Society

ARTICLE

phase, and



“C

6

H



6

ÀC

6



F

6

” phases; distance histogram and den-



sity of states of polymer I; dynamical analysis for phase III;

distance histogram of phase III at various pressures; C

ÀC, CÀH,

intermolecular H---H, and intramolecular H---H distances in

phase III; band structure of phase III at 190 GPa; density of states

of polymer II at 210, 250, and 300 GPa; computed total density of

states for phase III at 190 and 200 GPa, comparing DFT and eH

methods; analysis of the lattice stability of phase III at 190 and

200 GPa; e

ffect of rotation on metallization of phase III at 150

GPa; calculated dielectric functions for phase III; phonon

dispersion of graphanes; computed total density of states for

graphanes; band structure of 1D and 2D benzene models; and

three kinds of rotations in 2D benzene models. This material is

available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.

’ AUTHOR INFORMATION

Corresponding Author

rh34@cornell.edu

Present Addresses

Theoretical Division, Los Alamos National Laboratory, Los



Alamos, NM 87545

’ ACKNOWLEDGMENT

The four reviews we obtained of this paper were extraordina-

rily detailed and useful

—we really appreciate the reviewers’

comments. We are grateful to Dr. P. Raiteri for suggesting some

benzene phases. Our work at Cornell was supported by the

National Science Foundation through Grants CHE-0613306,

CHE-0910623, and DMR-0907425, and by EFree, an Energy

Frontier Research Center funded by the U.S. Department of

Energy, O

ffice of Science, Office of Basic Energy Sciences, under

Award Number DESC0001057. This research was also sup-

ported by the National Science Foundation through TeraGrid

resources provided by NCSA. Some calculations were performed

in part at the Cornell NanoScale Facility, a member of the

National Nanotechnology Infrastructure Network, which is

supported by the National Science Foundation.

’ REFERENCES

(1) Mujica, A.; Rubio, A.; Mu

~noz, A.; Needs, R. J. Rev. Mod. Phys.

2003


, 75, 863

–912.


(2) Weir, S. T.; Mitchell, A. C.; Nellis, W. J. Phys. Rev. Lett. 1996,

76, 1860


–1863.

(3) Narayana, C.; Luo, H.; Orlo

ff, J.; Euoff, A. L. Nature 1998,

393, 46


–49.

(4) Bridgman, P. W. Phys. Rev. 1914, 3, 153

–203.

(5) Thi


ery, M. M.; Leger, J. M. J. Chem. Phys. 1988, 89, 4255–4271.

(6) Ciabini, L.; Gorelli, F. A.; Santoro, M.; Bini, R.; Schettino, V.;

Mezouar, M. Phys. Rev. B 2005, 72, 094108.

(7) Ciabini, L.; Santoro, M.; Gorelli, F. A.; Bini, R.; Schettino, V.;

Raugei, S. Nature Mater. 2007, 6, 39

–43.


(8) Piermarini, G. J.; Mighell, A. D.; Weir, C. E.; Block, S. Science

1969


, 165, 1250

–1256.


(9) Katrusiak, A.; Podsiad

zo, M.; Budzianowski, A. Cryst. Growth Des.

2010

, 10, 3461



–3465.

(10) Raiteri, P.; Martonak, R.; Parrinello, M. Angew. Chem. Int. Ed.

2005

, 44, 3769



–3773.

(11) Carlsson, A. E.; Ashcroft, N. W. Phys. Rev. Lett. 1983, 50, 1305.

(12) Ashcroft, N. W. Phys. Rev. Lett. 2004,

92, 187002.

(13) Zurek, E.; Ho

ffmann, R.; Ascroft, N. W.; Oganov, A.; Lyakhov,

A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 17640

–17643.


(14) Yakusheva, B.; Yakushev, V. V.; Dremin, A. N. High Temp. High

Pressure 1971, 3, 261

–266.

(15) See the papers cited in ref 7, for example.



(16) Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1997,

78, 1396


–1396.

(17) Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1993, 47, 558

–561.

(18) Bloechl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953



–17979.

(19) Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758

–1775.

(20) Glass, C. W.; Oganov, A. R.; Hansen, N. Comput. Phys.



Commun. 2006, 175, 713

–720.


(21) Oganov, A. R.; Glass, C. W. J. Chem. Phys. 2006, 124, 244704.

(22) Oganov, A. R.; Glass, C. W; Ono, S. Earth Planet. Sci. Lett. 2006,

241, 95

–103.


(23) Lonie, D.; Zurek, E. Comput. Phys. Commun. 2011, 182, 372

–387.


(24) Herzfeld, K. F.; Goeppert Mayer, M. Phys. Rev. B 1934, 46,

995


–1001.

(25) Wodrich, M. D.; Corminboeuf, C.; Schleyer, P. v. R. Org. Lett.

2006

, 8, 3631



–3634.

(26) Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787

–1799.

(27) Bu


cko, T.; Hafner, J.; Lebegue, S.; Angyan, J. G. J. Phys. Chem. A

2010


, 114, 11814

–11824.


(28) Johnson, K. A.; Ashcroft, N. W. Nature 2000, 403, 632

–635.


(29) Huller, M.; Prager, M.; Press, W.; Seydel, T. J. Chem. Phys. 2008,

128, 034503.

(30) Johnson, R. D.; Yannoni, C. S.; Dorn, H. C.; Salem, J. R.;

Bethune, D. S. Science 1992, 255, 1235

–1238.

(31) Nicol, M.; Yin, G. Z. J. Phys. (Paris) 1984, 45 (C8), 163



–172.

(32) Drickhamer, H. H. Science 1967, 156, 1183

–1189.

(33) Shaik, S.; Shurki, A.; Danovich, D.; Hiberty, P. Chem. Rev. 2001,



101, 1501

–1539.


(34) From Handbook of Chemistry and Physics, all gases at 298 K.

(35) Douglas, J. E.; Rabinovitch, B. S.; Looney, F. S. J. Chem. Phys.

1955

, 23, 315



–323.

(36) Blanksby, S. J.; Ellison, G. B. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 255

–263.

(37) Sluiter, M. H. F.; Kawazoe, Y. Phys. Rev. B 2003, 68, 085410.



(38) Sofo, J. O.; Chaudhari, A.; Barber, G. D. Phys. Rev. B 2007,

75, 153401.

(39) Elias, D. C.; Nair, R. R.; Mohiuddin, T. M. G.; Morozov, S. V.;

Blake, P.; Halsall, M. P.; Ferrari, A. C.; Boukhvalov, D. W.; Katsnelson,

M. I.; Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Science 2009, 323, 610

–613.


(40) Ryu, S.; Han, M. Y.; Maultzsch, J.; Heinz, T. F; Kim, P.;

Steigerwald, M. L.; Brus, L. E. Nano Lett. 2009, 8, 4597

–4602.

(41) Wen, X.-D.; Hand, L.; Labet, V.; Yang, T.; Ho



ffmann, R.;

Ashcroft, N. W.; Artem, R. O.; Andriy, O. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

2011

, 108, 6833



–6837.

(42) Nuspl, G.; Polborn, K.; Evers, J.; Landrum, G. A.; Ho

ffmann, R.

Inorg. Chem. 1996, 35, 6922

–6932 and references therein.

(43) Landrum, G. A.; Ho

ffmann, R.; Evers, J.; Boysen, H. Inorg.

Chem. 1998, 37, 5754

–5763 and references therein.

(44) Bojin, M. D.; Ho

ffmann, R. Helv. Chim. Acta 2003, 86, 1653–

1682 and references therein.

(45) R

€udorff, W.; R€uddorf, G. Z. Anorg. Allg. Chem. 1947, 253, 281–



296.

(46) Ebert, L. B.; Brauman, J. I.; Huggins, R. A. J. Am. Chem. Soc.

1974

, 96, 7841



–7842.

(47) Charlier, J. C.; Gonze, X.; Michenaud, J. P. Phys. Rev. B 1993,

47, 16162

–16168.


(48) Bhattacharya, A.; Bhattacharya, S.; Majumder, C.; Das, G. P.

Phys. Rev. B 2011, 83, 033404.

(49) Leenaerts, O.; Peelaers, H.; Hern

andez-Nieves, A. D.; Partoens,

B.; Peeters, F. M. Phys. Rev. B 2010, 82, 195436.

(50) Pickard, C. J.; Needs, R. J. Nature Phys. 2007, 3, 473

–476.

(51) Katz, T. J.; Acton, N. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 2738



–2739.

(52) Katz, T. J.; Wang, E. J. J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 3782

–3783.

(53) Tamelen, E. E. V.; Pappas, S. P. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84,



3789

–3791.


(54) Woodward, R. B.; Ho

ffmann, R. J. Am. Chem. Soc. 1965, 87,

395

–397.



9035

dx.doi.org/10.1021/ja201786y |

J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9023–9035

Journal of the American Chemical Society

ARTICLE

(55) Car, R.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 1985, 55, 2471.



(56) Grochala, W.; Ho

ffmann, R.; Feng, J.; Ashcroft, N. W. Angew.

Chem. Int. Ed. 2007, 46, 3620

–3642.


(57) Wang, Z.; Wen, X.-D.; Ho

ffmann, R.; Son, J. S.; Li, R.; Fang,

C.-C.; Smilgies, D.-M.; Hyeon, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107,

17119


–17124.

(58) (a) Goldhammer, D. A. Theorie und ihre Folgerungen; Teubner:

Leipzig, 1913. (b) Herzfeld, K. F. Phys. Rev. 1927, 29, 701

–705.(c)


Batsanov, S. S. Refractometry and Chemical Structure; Van Nostrand:

New York, 1966.

(59) Anderson, P. W. The Theory of Superconductivity in High-Tc

Cuprates; Princeton University Press: Princeton, NJ, 1997.

(60) Merz, K. M., Jr.; Ho

ffmann, R.; Balaban, A. T. J. Am. Chem. Soc.

1987

, 109, 6742



–6751.

(61) The bulk and shear moduli contain information regarding the

hardness of a material with respect to various types of deformation. In

this work, the Reuss de

finition is utilized to compute the bulk and shear

moduli: bulk modulus = (S

11

þ S


22

þ S


33

þ 2(S


12

þ S


13

þ S


23

))

À1



;

shear modulus = 15/[4(S

11

þ S


22

þ S


33

À S


12

À S


13

À S


23

)

þ 3(S



44

þ

S



55

þ S


66

)], where S

ij

(1/GPa) are the elastic compliance constants.



(62) McSkimin, H. J.; Bond, W. L. Phys. Rev. 1957, 105, 116

–121.


(63) Engelke, R. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 5799

–5803.


(64) Engelke, R.; Hay, P. J.; Klier, D. A.; Wadt, W. R. J. Am. Chem.

Soc. 1984, 106, 5439

–5446.

(65) Rogachev, A. Y.; Wen, X.-D.; Ho



ffmann, R. Angew Chem. Int.

Ed. 2011, submitted.

(66) (a) R

€ottele, H.; Martin, W.; Oth, J. F. M.; Schr€oder, G. Chem.

Ber. 1969, 102, 3985

–3995. (b) Berson, J. A.; Davis, R. F. J. Am. Chem.

Soc. 1972, 94, 3658

–3659.


(67) Yang, N. C.; Hrnjez, B. J.; Horner, M. G. J. Am. Chem. Soc. 1987,

109, 3158

–3159.

(68) (a) Braun, R.; Kummer, M.; Martin, H. D.; Rubin, M. B. Angew.



Chem. Int. Ed. 1985, 24, 1059

–1060. (b) Bertsch, A.; Grimme, W.;

Reinhardt, G. Angew. Chem. Int. Ed. 1986, 25, 377

–378.


(69) Yang, N. C.; Horner, M. G. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 543

–546.


(70) Martin, H. D.; Pf

€ohler, P. Angew. Chem. Int. Ed. 1978, 17, 847–848.

(71) Tim, K.; Srinivasachar, K.; Yang, N. C. J. Chem. Soc., Chem.

Commun. 1979, 1038



–1040.

Yüklə 4,89 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə