Russian Journal of Physical Chemistry ARussian Journal of Physical Chemistry AЖурнал физической химии0044-45373034-5537The Russian Academy of Sciences68527710.31857/S0044453725020131DDIGQTSTRUCTURE OF MATTER AND QUANTUM CHEMISTRYСТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА И КВАНТОВАЯ ХИМИЯResearch ArticleTowards a semi-empirical analysis of exchange interactions in metalorganic frameworks with open d-shell ionsК полуэмпирическому анализу обменных взаимодействий в металлорганических каркасах, содержащих ионы с открытыми d-оболочкамиTchougréeffA. L.ЧугреевА. Л.
Russian Federation
tchougreeff@phyche.ac.ruA. N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of the Russian Academy of SciencesИнститут физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН1502202599227728519062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0044-4537/article/view/685277

The MagAîxTic program package based on the theory of effective Hamiltonian for crystal field and designed to estimate parameters of effective exchange between magnetic moments localized in the d-shells is augmented by the smaller ferromagnetic contributions to those parameters. The updated package is tested on the example of the three-nuclear basic acetates of iron(III) and chromium(III) of the composition μ3-OM3(CH3COO)6, as well as of their mixed analogs. It is shown that the developed/upgraded package is capable to reproduce both the orders of magnitude of the exchange parameters in the range of dozens cm-1 and their trends upon transition from one metal to another.

Основанный на теории эффективного гамильтониана кристаллического поля программный пакет MagAÎxTic, предназначенный для оценки параметров эффективного обменного взаимодействия между магнитными моментами локализованными в d-оболочках, дополнен расчетом малых ферромагнитных вкладов в эффективный обмен. Модифицированный пакет протестирован на примере трехъядерных основных ацетатов железа(III) и хрома(III) состава m3-OM3(CH3COO)6, а также их смешанных аналогов. Показано, что при помощи разработанного программного обеспечения удается воспроизвести как порядки величины эффективных обменных параметров, так и тенденции их изменения при переходе от одного элемента к другому. Таким образом, доказана возможность применения предложенного метода оценки обменных параметров в диапазоне значений десятков см–1.

exchange parameterssemiempirical calculationmetalorganic frameworks – MOFbasic acetatesобменные параметрыполуэмпирический расчетметаллорганические каркасы – МОКосновные ацетатыРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-23-00161Li J.R., Kuppler R.J., Zhou H.C. // Chem. Soc. Rev. 2009. V. 38. P. 1477.Liu J., Chen L., Cui H. et al. // Ibid. 2014. V. 43. P. 6011.Zhou H.-C.J., Kitagawa S. // Ibid. 2014. V. 43. P. 5415.Fischer R., Kaskel S., Kitagawa S. // Microporous and Mesoporous Materials. 2015. V. 216. P. 1.Li H., Wang K., Sun Y. et al. // Materials Today. 2018. V. 21. P. 108.Jiao L., Wang Y., Jiang H.L., Xu Q. // Adv. Mater. 2018. V. 30.Safaei M., Foroughi M.M., Ebrahimpoor N. et al. // TrAC – Trends in Anal. Chem. 2019. V. 118. P. 401.Coronado E., Espallargas G.M. // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. P. 1525.Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений: Введение в теорию. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, Лен. отд., 1986.Navarro J.A.R., Barea E., Rodríguez-Diéguez A. et al. // J. of the Amer. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 3978.Mínguez Espallargas G. and Coronado E. // Chem. Soc. Rev. 2018. V. 47. P. 533.Horcajada P., Surblé S., Serre C. et al. // Chem. Commun. 2007. P. 2820–2822.Momma K., Izumi F. // J. of App. Crystallogr. 2011. V. 44. P. 1272.Sciortino L., Alessi A., Messina F. et al. // The J. of Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 7826–7830.Koch W., Holthausen M. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory, v. 2. Wiley-VCH, Weinheim, 2002.Chung Y., Camp J., Haranczyk M. et al. // Chem. of Mater. 2014. V. 26. P. 6185.Chung Y.G., Gómez-Gualdrón D.A., Li P. et al. // Sci. Adv. 2016. V. 2.Gómez-Gualdrón D., Colón Y., Zhang X. et al. // En. Envir. Sci. 2016. V. 9. P. 3279.Colón Y., Gómez-Gualdrón D., Snurr R. // Growth Des. 2017. V. 17. P. 5801.Colón Y., Snurr R. // Chem. Soc. Rev. 2014. P. 5735.First E.L., Floudas C.A. // Microporous and Mesoporous Materials. 2013. V. 165. P. 32.Gounaris C., Wei J., Floudas C. et al. // AIChE J. 2009. V. 56. P. 611.Glover J., Besley E. // Faraday Discussions. 2021. V. 231. P. 235.Burkert U., Allinger N.L. Molecular mechanics. Washington: ACS, 1982.Leach A. Molecular Modelling: Principles and Applications, 2. Prentice Hall, Harlow, 2001.Frenkel D. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications, 2007.Rappé A., Goddard III W. // J. Phys. Chem. 1991. V. 95. P. 3358.Kresse G., Furthmüller J. // Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. P. 15.Gonze X. // Comput. Phys. Commun. 2009. V. 180. P. 2582.Giannozzi P., Baroni S., Bonini N. et al. // J. of Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 395502.Schwarz K., Blaha P. // Comput. Mater. Sci. 2003. V. 28. P. 259.Hutter J., Iannuzzi M., Schiffmann F., Vandevondele J. // WIREs Comput. Mol. Sci. 2014. V. 4. P. 15.Nazarian D., Camp J.S., Chung Y.G. et al. // Chem. of Mater. 2016. V. 29. P. 2521.Ruiz E., Cano J., Alvarez S., Alemany P. // J. of Comput. Chem. 1999. V. 20. P. 1391.Ruiz E., Llunell M., Alemany P. // J. Sol. State. Chem. 2003. V. 176. P. 400.Ruiz E. In: Principles and Applications of Density Functional Theory in Inorganic Chemistry II / Ed. by N. Kaltsoyannis, J. McGrady. Springer-Verlag, 2004. V. 113 of Structure and Bonding, p. 71–102.Mavrandonakis A., Vogiatzis K.D., Boese A.D. et al. // Inorg. Chem. 2015. V. 54. P. 8251.Blake A.B., Yavari A., Hatfield W.E., Sethulekshmi C.N. // J. of the Chem. Soc. Dalton Transactions. 1985. P. 2509.Plekhanov E., Tchougr´eeff A., and Dronskowski R. // Comp. Phys. Comm. 2019. P. 107079.Plekhanov E., Tchougréeff A. // Comp. Mat. Sci. 2021. V. 188. P. 110140.Tchougréeff A., Plekhanov E., Dronskowski R. // J. Comp. Chem. 2021. V. 42. P. 1498.Epifanovsky E., Gilbert A.T.B., Feng X., Lee J., Mao Y., Mardirossian N., Pokhilko P., White A.F., Coons M.P., Dempwolff A.L. et al. // The J. of Chem. Phys. 2021. V. 155.Lee H., Lee H., Ahn S., Kim J. // ACS Omega. 2022. V. 7. P. 21145.Zhang M., Wang W., Chen Y. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. V. 20. P. 2211.Anderson P. // Sol. St. Phys. 1963. V. 14. P. 99.Soudackov A.V., Tchougreeff A.L., Misurkin I.A. // Theor. Chim. Acta. 1992. V. 83. P. 389.Tchougréeff A.L., Soudackov A.V., van Leusen J. et al. // Int. J. of Quant. Chem. 2016. V. 116. P. 282.Tchougréeff A.L., Soudackov A.V. // Russ. J. of Phys. Chem. A. 2014. V. 88. P. 1904.Popov I., Plekhanov E., Tchougréeff A., Besley E. // Mol. Phys. 2023. V. 121. e2106905.Popov I., Raenko D., Tchougréeff A., Besley E. // J. of Phys. Chem. C. 2023. V. 127. P. 21749.Tchougreeff A.L., Dronskowski R. // J. of Phys. Chem. A. 2013. V. 117. P. 7980.Goodenough J. Magnetism and the Chemical Bond. Interscience-Wiley, New York, 1963.Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1984.Tchougréeff A. Effective Hamiltonian Crystal Field for Magnetic Interactions in Polynuclear Transition Metal Complexes. Sequential Derivation and Exemplary Numerical Estimates. 2013. URL https://arxiv.org/abs/1301.1036Löwdin P.-O. // J. of Math. Phys. 1962. V. 3. P. 969.Weihe H., Güdel H.U., Toftlund H. // Inorg. Chem. 2000. V. 39. P. 1351.Ruderman M.A., Kittel C. // Phys. Rev. 1954. V. 96. P. 99.Kasuya T. // Progress of Theor. Phys. 1956. V. 16. P. 45.Yosida K. // Phys. Rev. 1957. V. 106. P. 893.Van Vleck J.H. // Rev. of Mod. Phys. 1962. V. 34. P. 681.Long G.J., Robinson W.T., Tappmeyer W.P, Bridges D.L. // J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1973. P. 573–579.Pople J.A., Beveridge D.L. Approximate Molecular Orbital Theory. McGraw-Hill Book, New York, 1970.Sinitsky A.V., Darhovskii M.B., Tchougreeff A.L., Misurkin I.A. // Int. J. of Quant. Chem. 2002. V. 88. P. 370.