基于电负性均衡理论快速计算多肽分子中原子电荷的新方法（英文）

原子电荷在深入理解和模拟蛋白质的化学行为中发挥了重要的作用。通过校正电负性均衡方法(EEM)可快速计算大分子中原子电荷的分布情况。为进一步提高电负性均衡方法的准确性,本文根据Bader提出的分子区域片段中原子电荷高度转移理论,提出了一种校正电负性均衡理论的新方法,专门用于快速、准确计算生物大分子多肽或蛋白质中分子中原子电荷(AIM)。在EEM参数优化过程中,本方法不仅包括了不同原子间的连接性和价键的杂化属性,还考虑了分子片段或基团的区域化学环境因素对校正的影响。本研究对变量优化方法进行了深入讨论,微分进化算法被证明对目标函数有较好地表现。本方法计算的AIM电荷,与密度泛函理论的计算结果进行了比较。结果表明,与原来的EEM模型相比较,本方法计算的AIM电荷的精确度得到了大幅提高,为具有重复分子片段或基团的生物大分子体系(如多肽或蛋白质等)的原子电荷的快速计算提供了一种更为准确的方法,同时也为EEM的校正提供了一种新的思路。

N-(邻氯苯基)苯甲酰胺在CuX(X=I,Br)催化下的分子内O-芳基化反应机理

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在6-31+G*基组水平上研究了N-(邻氯苯基)苯甲酰胺在CuX(X=I,Br)催化下发生分子内O-芳基化的反应机理.优化了反应过程中的反应物、中间体、过渡态和产物,通过能量和振动分析证实了中间体和过渡态的真实性.并且在相同基组水平上应用自然键轨道(NBO)理论和分子中的原子(AIM)理论分析了这些化合物的成键特征和轨道间的相互作用.比较了两种不同铜盐催化剂的催化活性,计算结果表明两种催化剂的反应路径和反应的控制步骤完全相同,在CuBr催化下标题化合物控制步骤的活化能比在CuI催化下的低,证明了CuBr的催化活性要比CuI的高一些,与实验结果一致.

Ag^+交换沸石分子筛吸附小分子的结构与电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了Ag+交换沸石分子筛及其吸附NO,H2O,CO,H2S和SO2的结构及电子性质,并对簇模型进行了自然键轨道(NBO)分析,用分子中的原子(AIM)理论研究了相关键的拓扑性质.研究结果表明,NO,CO和SO2的吸附导致了Ag+和沸石骨架上氧的距离缩短,这主要是因为NO,CO和SO2的吸引电子能力较大使Ag-O1和Ag-O2共价性增强所致;而H2O,H2S的吸附导致了Ag+和沸石骨架上氧的距离增大,可归因于H2O,H2S的吸引电子能力弱使Ag-O1和Ag-O2共价性减小所致.

锂取代乙烯酮与水分子之间相互作用的从头算

在MP2/6-311++G**水平上,研究了5种复合物的几何结构型和成键特征,对能量、自然键轨道和分子中的原子进行了分析.结果表明:当锂取代3位置时,锂的电子性质突出,体系的偶极矩增加,锂的离子性质增强,通过体系共轭作用,增加了端基氧的电负性,氧的电负性质增强使得氧的给电子能力增强;当锂取代1和2位置时,锂与双键形成π-Li键或者锂与氧形成六元环结构.光谱分析表明:锂取代3位置时,红外光谱发生红移;当锂取代1和2位置时,由于锂的离子性很强,光谱发生蓝移.

通过价层电子密度分析展现分子电子结构（英文）

迄今已有众多实空间函数被提出用来揭示化学上感兴趣的分子电子结构特征,例如化学键、孤对电子和多中心电子共轭。在这些分析方法中,电子定域化函数(ELF)、电子密度的拉普拉斯(▽~2p)和变形密度(rdef)被广泛用于实际研究。众所周知,分析分子的总电子密度无法像以上提及的方法那样展现出与分子电子结构有关的丰富的信息。但是,在本文中,通过数个实例以及通过与ELF、▽~2p和rdef的对比,我们指出若只关注价层电子密度分布,分子电子结构特征也是可能被探究的。我们发现对大多数情况,对非常简单的价层电子密度的分析也可以给出与ELF、▽~2p和rdef分析类似的信息,并且这种分析具有计算复杂度更低的额外优点。我们希望本文的工作可以使得化学家们关注长期被忽视的价层电子密度所具有的重要价值。也值得注意的是,价层电子密度分析并非完全没有缺点,当这种方法无法提供丰富信息的时候,研究者仍需借助于其它类型的分析手段。

N-烷基乙二胺-双(三氟甲基磺酰)亚胺型质子化离子液体的分子间氢键作用

本文研究选用密度泛函理论中M06-2X及6-311G(d,p)基组,对由N-烷基乙二胺阳离子[HAlkyl]+(hexyl,octyl、2-ethylhexyl及EtHex)与双(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子[TFSA]-形成的[HHex][TFSA]、[HOct][TFSA]及[HEtHex][TFSA]型质子化离子液体(Protic ionic liquids,PILs)的分子间氢键相互作用进行理论研究,通过几何优化和分子振动频率分析得到其5种较稳定构型[HAlkyl][TFSA]S1~S5,结果表明:该类PILs的基组重叠误差(basis set superposition error,BSSE)校正后的分子间相互作用能ΔE int BSSE在-88.8^-108.9 kcal/mol范围内;由于阴阳离子间形成了较强的N—H…N或N—H…O型氢键,[HAlkyl]+阳离子中参与氢键的N—H键长延长,红外谱图显示N—H伸缩振动发生了红移,且红移值显著。通过自然键轨道理论分析可知,其稳定化能主要来源于阴离子[TFSA]-中N、O原子的孤对电子与阳离子[HAlkyl]+中N—H反键轨道之间的相互作用,即LP(N/O)→σ*(N—H)。采用分子中原子理论计算二阶微扰能E(2)值、电子密度ρc值及拉普拉斯值2ρc的结果表明,[HAlkyl]+中碳链的长短、支链的引入对[HAlkyl][TFSA]分子间氢键作用的强弱有较大的影响,并且在伯胺质子化构型(S1~S3)中形成的氢键相互作用比仲胺质子化构型(S4、S5)较强。

1-乙基-3-甲基咪唑阳离子与天冬酰胺阴离子的相互作用

利用密度泛函理论B3LYP方法,在6-311+G(d,p)水平上,对1-乙基-3-甲基咪唑阳离子[Emim]+与天冬酰胺阴离子[Asn]-形成的氨基酸离子液体气态阴阳离子对([Emim][Asn])进行理论研究.通过几何结构优化和频率分析得到势能面上的五个稳定构型.[Emim]+和[Asn]-之间能够形成较强的氢键相互作用,零点能校正后的能量在-373.96至-326.28kJ·mol-1之间.其稳定化能主要来源于[Asn]-中羰基O的孤对电子lp(O)与[Emim]+中C—H反键轨道σ*(C—H)之间的相互作用:lp(O)→σ*(C—H).红外光谱特征和自然布居分析(NPA)计算表明咪唑阳离子中参与形成氢键的C—H键振动的红移值、阴阳离子间的电荷转移与氢键相互作用能成正比关系.分子中的原子(AIM)理论分析得到[Emim]+和[Asn]-之间的氢键相互作用以静电作用为主.通过计算结果初步探讨影响氨基酸离子液体玻璃化温度Tg的结构因素.

Ni原子活化氨分子理论研究

在UB3LYP/6-311++G(3df,3pd)水平下,详细研究了Ni活化NH3分子的单重态和三重态势能面,并用分子中的原子量子理论(Quantum Theory of Atom-in-Molecular,QTAIM)计算了势能面上所有驻点的性质.计算结果表明,单重态势能面有两条反应途径,而三重态势能面仅有一条反应途径.第一个N-H断开的活化能较低,为99.96kJ/mol,活化自由能为100.86kJ/mol,在常温下就可以进行;第二个N-H键断裂所需能量高达200kJ/mol,不容易进行.在合适温度下,Ni可以活化NH3得到三重态HNiNH2,这表明Ni可以作为活化NH3分子的良好催化剂.

密度泛函理论研究Pu+O_2反应机理及键的特点

通过建立Pu与O_2反应的理论模型,采用密度泛函理论(DFT)系统研究了钚原子与氧气分子的微观反应机理.优化了反应势能面上各驻点的几何结构,并用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法验证了过渡态,得到了该反应的反应势能曲线和微观反应路径.此外,用分子中的原子理论(AIM)和电子定域函数(ELF)理论方法探究了反应过程中各原子间化学键的演化特点.结果表明,这一反应体系有两条不同的反应路径,反应产物分别是PuO_2和Pu O+O;能量分析表明,生成PuO_2的反应更容易发生.

胞核嘧啶氢键二聚体的电子拓扑性质研究

采用GAUSSIAN程序包,在B3LYP/6-311++G**水平下,对胞核嘧啶及其7种氢键二聚体进行了结构优化和能量分析。使用AIM2000程序,在分子中的原子理论框架下对这些体系进行了详尽的电子拓扑性质的理论研究。从理论的角度证明了这些氢键的存在并探讨了其性质,比较了各种不同类型的氢键及二聚体的稳定性,为实验研究提供了一定的理论参考数据。

小镍团簇Ni_n(n=2～6)电子结构和拓扑分析

在UBP86/TZVP水平上计算了小镍团簇(Nin,n=2～6)的稳定基态结构并用自然键轨道(NBO)和分子中的原子量子理论(QTAIM)分析了这些团簇的电子结构。计算结果表明,Ni团簇基态结构具有较高自旋多重度。QTAIM分析表明镍团簇中Ni-Ni键均为金属键。除Ni2团簇中Ni-Ni键为纯粹的σ键外,其他团簇中Ni-Ni键具有部分π键特征。提出了采用团簇的原子平均离域化指数(δ)来表示团簇的相对稳定性,平均离域化指数与团簇的平均结合能具有较好线性关系。

单电子锂键复合物H3C…Li—H的甲基非加和性理论研究

在B3LYP／6-311＋＋G＊＊及UMP2／6-311＋＋G＊＊水平上对单电子锂键复合物H3C…Li-H的甲基非加和性进行了理论研究．通过对复合物构型、能量、电荷转移及拓扑参数进行分析的基础上，讨论H3C…LiH、H3CH2C…LiH、（H3C）2HC…LiH及（H3C）3C…LiH的作用强度．结果表明，（H3C）3C自由基与LiH间形成的单电子锂键复合物的强度最强，其次为（H3C）2HC和H3CH2C，而H3C自由基与LiH间形成的复合物的强度最弱，甲基非加和性使得体系的作用强度增强，这也通过自然键轨道和分子中的原子理论分析得到了证明．另外，单电子锂键体系中参数间存在着几种线性／非线性关系，单电子锂键的作用模式与单电子氢键及单电子卤键有所不同．

2,7′-(乙烯基)-二-8-巯基喹啉及其金属配合物光谱性质及电子结构的理论计算

采用密度泛函理论DFT,在B3LYP/6-31G水平上对2,7′-(乙烯基)-二-8-巯基喹啉[2,7′-Eth(tq)2]的结构进行了全优化,并以NPA电荷及静电势(EPM)分析结果构建了3种金属M(M=Zn,Mg,Be)配合物M[2,7′-Eth(tq)2]2。以此为基础用TDDFT方法计算了配体及其金属配合物的吸收光谱。同时,利用自然键轨道理论(NBO)及分子中的原子理论(AIM)对分子内氢键进行了分析。结果表明,该类化合物均具有较大的电子亲和能,中心金属原子的改变对配合物吸收光谱性质影响较小。和2,7′-Eth(tq)2相比,M[2,7′-Eth(tq)2]2的吸收光谱产生明显红移。2,7′-Eth(tq)2及其M[2,7′-Eth(tq)2]2分子内存在较强的氢键,氢键与环上的碳原子形成五元环,分子内氢键的存在使分子的稳定性增加。

过渡金属间相互作用本质探究

共价键理论是化学学科中的一个重要理论,它解释了许多电负性形同或相近的元素的原子成键情况.但近年来由于对过渡金属原子间成键本性广泛深入研究,对共价键理论提出了新的挑战.

极长与极短的铜铜距离-吡唑环三核亚铜配合物亲铜作用本质及发光调控

本文结合近年来亲金属作用研究领域的进展,针对本课题组在环三核亚铜配合物方面的最新研究成果,讨论了两个铜(I)–铜(I)作用相差悬殊的体系。一是通过构筑具有环三核单元的三棱柱笼状配合物,确认在正堆积模式下即使环三核单元之间亲铜作用极弱依然可以在磷光发射态中产生强亲铜作用,且通过配体的预留配位点与Cu_2I_2簇连结从而得到自校准大范围发光温度计;二是通过与亲铜作用正交的Br―Br卤键,实现环三核亚铜配合物前所未有的极短铜(I)–铜(I)距离,通过各种电子结构分析方法研究其本质。结果表明即使当铜(I)–铜(I)距离很接近铜的范德华半径和时,其本质依然为闭壳层作用,而Br―Br作用总为闭壳层作用,且该体系中最强的Br―Br作用很好地体现出一个Br原子的σ穴和另一个Br原子的负静电势区域的匹配性。

双层三明治四聚吡咯铀配合物的结构设计和稳定性理论计算

为探索四聚吡咯配体和低价铀离子相互作用,以实验合成单层三明治结构配合物PcU~ⅥPc(Pc=酞菁)为基础,设计双层三明治型PzU^mPzU^mPz(m=Ⅲ,Ⅳ,Pz=氮杂卟啉),采用相对论密度泛函理论考察了其几何结构、异构体相对稳定性以及成键和轨道性质.得到se(staggered-eclipsed)和es(eclipsed-staggered)2种类型稳定空间异构体,并进一步优化其所有可能的电子自旋态异构体.计算结果表明,这些低价铀配合物均具有五重态基态.分子中的原子量子理论(quantum theory of atoms in molecule,QTAIM)在U—N键临界点处的电子/能量密度拓扑分析显示U—N键为弱极性共价键.四价配合物拥有4个U(5f)性质高能占据轨道,与2个U4+的5f单电子数相一致;而三价配合物有很大配体参与作用.2个铀原子和中间Pz配体质心近似成线性,这与配合物具有稳定的σ(U—U)成键轨道密切相关.

稀有气体化合物MRg^(+)和MRgF(M=Co,Rh,Ir,Rg=Ar,Kr,Xe)的成键分析

本文运用B3LYP、MP2、MP4(SDQ)和CCSD(T)方法对由稀有气体原子(Ar,Kr,Xe)与过渡金属原子(Co,Rh,Ir)形成的化合物MRg^(+)和MRgF进行了几何结构优化和频率计算,并探究了这些化合物的热力学性质.结果表明,MRg+在热力学上是稳定的,而MRgF在热力学上为亚稳态.同时使用分子中的原子理论的电子密度拓扑分析方法、自然键轨道分析方法、能量分解分析方法等多种分析方法来解析M-Rg的成键性质.结果显示,化合物MRg^(+)的单位正电荷主要分布在金属M上,且这类化合物中金属的电子密度分布与单价离子M^(+)相似,因此MRg^(+)中的M-Rg键弱且不共价.与MRg^(+)相比,MRgF中的M-Rg键长更短(接近于M与Rg原子的理论共价半径之和),Wiberg键级指数更大,具有部分共价性质.

Ce+XF3(X=N,P和As)反应产物的量子化学研究

采用ab-initio方法研究了Ce+XF3(X=N,P和As)反应的可能产物(CeXF3、XCeF3、FXCeF2和F2XCeF)的平衡几何结构和能量,并使用AIM、自然布居电荷(NPA)、Pipek-Mezey定域化分子轨道和FBO分析研究了这些产物分子中的成键性质。结果表明,所有分子的基态自旋多重度均为三重态。对于XCeF3,FXCeF2和F2XCeF,氮化物的热力学稳定性最高,其次是砷化物,磷化物的热力学稳定性最低;CeXF3的情况则正好相反。AIM分析表明,大多数Ce-X、X-F和Ce-F键主要呈现闭壳层相互作用特征,且具有部分共价作用特征。由于F2XCeF分子中存在agostic作用,Ce-F1(或F2)键表现出闭壳层相互作用的特征;且RCP与BCP相近,表明X-Ce-F1(或F2)三元环的稳定性较弱。

Hydrogen Bonding Character Between the Glycine and BF4^-

氢在 BF4- 和 glycine 之间的结合的特性理论上在 B3LYP/6 的水平被学习； 31+G* ，单个点精力在 B3LYP/6311++G * 的水平被执行 * 。intramolecular 氢契约的相关几何特征，精力性质，以及人物被学习了。在拓扑的分析显示了的分子理论的原子(3,1 ) 为氢契约的批评的点。另外，电子密度和拉普拉斯算符在为氢契约建议的范围。特别，在氢契约形成之上的氢的原子充电，偶极子时刻， enegry 以及体积的变化 systemitically 被讨论。

环戊二烯基锕系配合物结构和还原性质的密度泛函理论研究

深入理解锕系有机金属配合物的结构和化学反应性质对锕系配位化学的发展至关重要。运用密度泛函理论系统计算了环戊二烯基配位铀化合物,[Cp3UmX]n(X=F, Cl, Br, I;m=Ⅲ, n=-1;m=Ⅳ, n=0)和[Cp3UmX]n(X=Vacant;m=Ⅲ, n=0;m=Ⅳ, n=+1)。异构体优化表明四价和三价铀配合物分别对应三重态和四重态基态。与四价铀配合物的结构参数相比较,三价的U-C、U-Cpcent和U-X距离更长;这与UⅢ离子半径长于UⅣ的相一致。基于电子密度的原子在分子中量子理论计算指认U-X间为配位单键本质。电子自旋密度分析揭示单电子反应为金属铀主导、Cp配体参与的还原机制。研究发现,随着配体X从F、Cl、Br、I变化到Vacant(空置未配位),配合物的还原电势(E0)逐渐变小,并进一步建立了E0与U-Cp作用强度之间的正相关规律性。同时考虑溶剂化和自旋-轨道耦合效应时,计算的还原电势在报道的实验值范围内。另外,变换金属并计算了[Cp3Anm]n(An=U, Np, Pu;m=Ⅲ, n=0;m=Ⅳ, n=+1)结构和还原性质,得到的还原电势值随U、Np、Pu依次增大,与实验测得的An4+/An3+离子E0值趋相一致。