Structural interpretation of the 31P NMR chemical shifts in thiophosphate and phosphate: key effects due to spin–orbit and explicit solvent

文献情報

出版日 2019-04-13
DOI 10.1039/C9CP01460H
インパクトファクター 3.676
著者

J. Fukal, O. Páv, M. Buděšínský, I. Rosenberg, J. Šebera


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要旨

Structural interpretation of the 31P NMR shifts measured in O,O-diethyl thiophosphate (PT), 5,5-dimethyl-2-mercapto-1,3,2-dioxaphosphorinane 2-oxide (cPT), diethylphosphate (P) and 5,5-dimethyl-2-hydroxy-1,3,2-dioxaphosphinane 2-oxide (cP) was obtained by means of theoretical calculations including the effects of geometry, molecular dynamics, and solvent, relativistic effects and the effect of NMR reference. NMR calculations employed the B3LYP, BP86, BPW91, M06-2X, PBE0, MP2, and HF methods, the Iglo-n (n = II, III), cc-pVnZ (n = D, T, Q, 5), and pcS-n (n = 0, 1, 2, 3, 4) Gaussian-type basis sets and the Slater-type QZ4P atomic basis. Water solvent was described explicitly and/or implicitly. The effects due to molecular dynamics were calculated using molecular dynamics simulations with the GAFF force field and the TIP3P water molecules, and alternatively by means of the zero-point ro-vibrational averaging. Relativistic effects included the spin–orbit calculated within the two-component zero-order relativistic approximation and the effect with the four-component DFT method. Optimal geometries and large-amplitude dynamical motions within the “opened” PT and P molecules contrasted with notably different geometries and confined dynamical motions within the cPT and cP “closed” molecules. These structure-dynamical differences together with the different chemical structures of thiophosphate and phosphate due to a non-esterified sulphur or oxygen atom within the group considerably affected the magnitudes of 31P NMR shifts. The theoretical calculations enabled accurate and reliable structure-dynamical interpretation of the measured 31P NMR shifts. The effects due to explicit solvent and relativity turned out to be indispensable for obtaining accurate 31P NMR shifts particularly in the thiophosphates. Replacement of the non-esterified oxygen atom in the phosphate with sulphur makes NMR shielding of the phosphorus atom qualitatively different as compared to the NMR shielding of the phosphorus atom in phosphate, H3PO4 and PH3.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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