连接不同轴向配体铁卟啉体系的自旋非极化和自旋极化密度泛函活性理论研究(英文)

血红素在许多生化反应中起着至关重要的作用,且血红素的核心为卟啉环配位铁离子.文献采用密度泛函活性理论及其自旋极化方法对卟啉环连接的金属离子的选择性进行了研究,发现卟啉环连接铁离子时其结构和活性与连接其他金属离子的体系有很大的差异.实验研究表明,轴向连接不同配体对体系的结构和活性有显著影响.本文采用密度泛函活性理论及其自旋极化方法对铁卟啉体系中铁离子轴向连接不同配体的体系进行系统探究.轴向配体包括SMe,SHMe,1H-咪唑及衍生物,OH,H2O,H2O2,CO,NO,O2,呋喃,异吲哚,吡咯和吡啶.通过对全局和局域化学活性描述符的计算分析发现,当配体是CO时,体系化学性质稳定、反应活性也低;在众多种体系中H2O和SHMe的得失质子对体系活性的影响最大.这些计算结果对更深入了解血红素及其类似体系的活性和作用机理有重要意义.

Zr(F^3)与2-丁炔分子自旋禁阻反应C—C,C—H键活化机理的理论研究

运用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法研究了单重态和三重态势能面自旋禁阻反应Zr活化2-丁炔分子的C—C和C—H键的反应机理.通过自旋-轨道耦合的计算讨论了势能面交叉点和可能的自旋翻转过程.反应从基态三重态开始,在活化C—C键的反应过程中出现了自旋态的改变,使得过渡态3 T4g的活化能垒从-3.58降到-10.60kJ·mol-1.在MECP4处,单重态和三重态间的自旋-轨道耦合常数为146.10cm-1,反应发生有效的系间窜越,从三重态跃迁到单重态势能面,反应势垒有所下降.

一系列水合和非水合铀酰卤族(F,Cl,Br)配合物在水溶液中的结构和紫外吸收光谱性质的密度泛函理论研究

本文考虑相对论效应并应用密度泛函理论(DFT)研究水溶液中UO2Xn(H2O)5-n(X=F,Cl,Br;n=1～4)和UO2Xn(X=F,Cl,Br;n=1～6)一系列水合和非水合铀酰化合物的结构和紫外吸收光谱性质。将这一系列物质命名为Xnm(X为F,Cl,和Br;n为卤素配体个数,m为水分子配体的个数)。在水溶液中,溶剂化效应采用类导体屏蔽模型(COSMO)并采用SAS溶剂接触曲面构造空穴模拟水溶剂对配合物的作用。配合物的紫外光谱性质采用考虑旋-轨耦合相对论效应的含时密度泛函(SO-TD-DFT)进行计算。U=O键随着F配体数目的增加而明显伸长,然而随Cl和Br配体数目的增加变化较小。随X配体数目的增加和水分子参与配位,铀与X的结合能逐渐减弱。配合物的紫外光谱计算表明铀酰氟的各种配合物并不出现特征吸收峰,而铀酰氯和铀酰溴的各种配合物均有特征吸收光谱。通过分子轨道分析可以很好解释光谱所体现的特征。

气相中Cu^+活化N_2O中N-O键反应机理的理论研究

采用密度泛函UB3LYP/6311+G(2d)方法计算研究了Cu+在基态和激发态下与N2O的反应机理,全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型,用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证,并用UCCSD(T)/6311G(2d,p)、单点垂直激发、Harvey等人的方法分别进行各驻点单点能校正,单重态和三重态反应势能面交叉点CP确定,最低能量交叉点(MECP)的优化及MECP处相应的自旋轨道耦合常数(SOC)计算。计算结果表明,该反应为一步反应,SOC值为84.2 cm-1,比较大的SOC值说明了在势能面上CP点处的翻转能够有效的降低反应的活化能,降低活化能值为27.6kJ.mol,增加反应放热126.7kJ.mol,这在动力学和热力学上对反应是非常有利。

HgBa_2 CaCu_2 O_(6+δ)的内层电子激发能的密度泛函理论研究(英文)

运用相对论的自旋极化局域密度函数方法计算了HgBa2 CaCu2 O6+δ 的电子结构。得到的内层电子激发能基本上与X光电子谱一致 ,其中自旋

气相中TiO催化CO_2加氢的两态反应密度泛函理论研究

为了说明两态反应会影响甚至决定整个反应的反应速率或选择性,运用密度泛函(DFT)B3lyp/6-311+G(3df,2p)方法,对TiO催化CO2加氢生成甲酸反应的单、三重态各个驻点结构进行优化.发现在两个自旋态势能面之间有四处能量交叉点(CPs),由此找出最低能量交叉点(MECP),根据交叉点的构型计算自旋-轨道耦合(SOC)常数,用Landau-Zener非绝热跃迁公式计算出MECP处的跃迁几率,发现四处最低能量交叉点都具有较强的自旋-轨道耦合作用和较高的跃迁几率,且四个最低能量交叉点处电子的自旋翻转均发生在Ti原子不同的d轨道之间,确定了最低能量反应路径.用能量跨度模型计算了在298K下TiO的转化频率(TOF)及整个过程的控制度(XTOF),同时确定了整个反应过程中的决速态.

同位旋标量对力对^(42)Ca中自旋-同位旋跃迁的影响

本文利用相对论准粒子无规相位近似(Quasiparticle Random Phase Approximation,QRPA)模型研究了高斯型同位旋标量对力对原子核^(42)Ca中β−方向的伽莫夫-泰勒(Gamow-Teller,GT)和自旋-偶极(Spin-dipole,SD)跃迁的影响。结果表明:同位旋标量对力对于恢复SU(4)对称性从而重现实验上42Ca的低能量超级GT态至关重要。同位旋标量对力会使自旋反转的跃迁组分混合进入低能量GT态,从而增强低能量GT态的集体性,极大地增加其跃迁强度。同时,由于同位旋标量对力具有吸引性质,会减小低能量GT态的激发能。对于SD跃迁,同位旋标量对力对其激发能和跃迁强度的影响均不明显。

气相中Ir^+与CH_4分子自旋禁阻反应中C—H键活化机理的理论研究

采用密度泛函理论和高级电子相关耦合簇方法,在CCSD(T)/6-311++G(3df,3pd)//B3LYP/6-311+G(d,p)的理论水平下,研究了3个自旋态势能面上自旋禁阻反应Ir+(5F)+CH4(1A1)→IrCH2+(3A″)+H2(1Σg+)的微观机理,通过自旋-轨道耦合的计算,讨论了势能面交叉和可能的自旋翻转过程.结果表明,Ir+与CH4的反应中不同势能面之间的"系间窜越"(ISC)将会发生,分子体系通过3次自旋翻转沿着热力学最有利的反应路径进行,最优的反应路径总放热量为44.64 kJ/mol.运用Harvey等的方法优化出最低能量交叉点(MECP),并计算了MECP处相应的自旋-轨道耦合常数(SOC),分别为346.95,2 545.62,2 990.98 cm-1,较大的SOC值说明了自旋翻转是有效的.

基于γ-石墨炔分子磁隧道结对称性依赖的输运性质

利用非平衡格林函数和密度泛函理论,研究不同类型γ-石墨炔分子磁隧道结(MMTJ)自旋极化输运特性的影响。磁隧道结以铁磁性的锯齿形石墨烯纳米带作电极。随着纳米带宽度变化,考虑γ-石墨炔的两种接触点,我们构造了8种有代表性的且具有不同对称性的隧道结。通过计算我们发现,对称性对磁隧道结的自旋输运起决定性作用。对于偶数碳链的锯齿形石墨烯纳米带,石墨炔的接触点位居于正中,这种结构的自旋极化输运性质远优于其它结构。比如在非常宽的偏压范围内都能达到100%的自旋极化率,且隧穿磁阻(TMR)高达3.7×10^(5),这表明该结构在自旋滤波器和自旋阀器件方面的应用潜力最大。与之形成对比的是,当耦合位置偏离锯齿形石墨烯纳米带的中心时,输运性质迅速变为普通电输运,相应的巨磁阻效应比最优对称结构约小4个数量级。

3’-叠氮’-去氧胸苷的密度泛函理论计算

利用量子化学密度泛函理论B3LYP方法和3-21G基组对HIV-1 逆转录酶抑制剂3’-叠氮-3’-去氧胸苷（AZT）中围绕核苷键的内旋转进行了计算研究,得到内旋势能曲线.对势能曲线上各驻点,又在B3LYP/6-31G水平上进行构型全优化和频率分析计算.在计算得到的势能曲线上有两个能量相近的极小点,其中一个能量极小点对应的构型的三个重要参数（P,x,和y）与在 3’-叠氮-3’-去氧胸苷5’-三磷酸盐与HIV-1逆转录酶结合时的AZT活性构型相符.

Fe^+催化N_2O与H_2反应的理论探究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP与耦合簇(CCSD)方法,研究了气相中四重态和六重态势能面上Fe+催化N2O氧化H2的微观机理.采用分子轨道理论和自然键轨道理论(NBO)对反应势能面进行分析,并通过自旋-轨道耦合(SOC)计算,讨论了势能面的交叉情况和自旋翻转的可能性.用Kozuch提出的能量跨度模型,确定了整个反应的决速过渡态(TDTS)和决速中间体(TDI),最后计算了催化剂的转化频率(TOF),以评价催化剂的性能.

气相中Fe^+活化N_2O中N—O健的理论计算

以Fe+与N2O反应作为第一过渡金属离子与N2O催化循环反应的范例体系.采用密度泛函UB3LYP/6-311+G(2d)方法计算研究第一过渡金属离子Fe+在基态和激发态与N2O反应的反应机理.全参数优化反应势能面上各驻点的几何构型,用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行验证.并用UB3LYP/6-311+G(3df,3pd)方法对各驻点作了单点能量校正.在Fe+与N2O反应中,计算确定该反应为一步反应,且反应机理都为插入消去反应.用单点垂直激发的方法确定四重态和六重态反应势能面的交叉点CP,计算发现在势能面上的翻转能够有效的降低反应的活化能,这对该反应在动力学和热力学上都是有利的.运用Harvey等的方法优化出最低能量交叉点(MECP),并计算MECP处相应的自旋-轨道耦合常数(SOC),为673.1cm-1,较大的SOC值说明自旋翻转是有效的.

气相中W^+活化CO_2分解的自旋禁阻反应机理

用密度泛函理论中的UB3LYP方法,对W采用相对论校正赝势基组(SDD),对C、O采用6-311+G(3d)基组,研究了气相中不同自旋态W+活化CO2分解的反应机理.计算结果表明,W+活化CO2分解反应以六重态进入反应通道,经过六重态势能面到四重态势能面的系间窜越(ISC),最后产物WO+和CO以四重态离开反应通道.运用Harvey方法优化出最低能量交叉点(MECP),并计算了MECP处的自旋-轨道耦合(SOC)常数(494.95cm-1),势能面的交叉和在MECP处较强的自旋-轨道耦合作用降低了自旋禁阻反应能垒,为反应提供了一条低能反应路径,反应总放热量为122.33kJ.mol-1.

气相中Co^+催化CO与N_2O反应机理的理论计算研究

采用密度泛函UB3LYP/6-311+G(2d)方法计算研究了Co+在基态和激发态下与N2O的反应机理,全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型,用频率分析方法和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行了验证,并用UB3LYP/6-311++G(3df,3pd)、单点垂直激发、Harvey等人的方法分别进行各驻点单点能校正,三重态和五重态反应势能面两个交叉点CP确定,最低能量交叉点(MECP)的优化及MECP处相应的自旋-轨道耦合常数(SOC)计算,计算结果表明,该反应为两步反应,较大的SOC值说明了在势能面上的翻转能够有效发生,且反应机理都为插入—消去反应,交叉点能够有效的降低反应的活化能,这在动力学和热力学上都是有利的。

气相中Zr活化CH_4分子C—H键的理论研究

采用密度泛函理论和高级电子相关耦合簇方法,在CCSD/6-311++G(3df,3pd)//B3LYP/6-311++G(3df,3pd)理论水平下,研究了两个自旋态下的Zr原子活化CH4分子中C—H键逐个夺取H原子的微观反应机理.通过计算,讨论了势能面交叉和可能的自旋翻转过程.用Harvey等的方法优化出最低能量交叉点(MECP),并计算了MECP处相应的自旋-轨道耦合常数(SOC),进一步讨论了Zr与CH4的反应中不同势能面之间的"系间窜越"(ISC)的可能性.

光合释氧机理的ABEEM/MM/MD和BS-DFT理论研究

建立了S_2态光合释氧络合物(OEC)的原子-键电负性均衡模型(ABEEMσπ)的电荷参数,并使用ABEEM/MM/MD可极化力场的分子动力学模拟和对称性破损的DFT研究了光合作用制造氧气的微观机制.HF/STO-3G(采用此基组的原因请见引用文献)水平下的电荷拟合结果证明了ABEEMσπ模型计算电荷分布的合理性和高效性.MD模拟显示,S_2态Mn_4CaO_5的双向异构化过程伴随Ca上的水分子W3转移至Mn1(Ⅲ)/Mn_4(Ⅲ),它很可能作为底物水之一,与O_5在S4态结合产生O_2.基于此,考察了全自旋态下两种异构体形式中O-O键形成的自由基耦合机理.BS-DFT计算结果表明,开立方结构的释氧活性大大优于闭立方结构,金属锰和氧自由基的自旋耦合方式也是反应性的决定性因素,同时,OEC的结构灵活性对于S态循环和光合水分解至关重要.

两态反应Ni_2^+与c-C_6H_(12)的机理及自旋-轨道耦合研究

在密度泛函理论的B3LYP方法下,对两态反应2Ni+与环己烷体系进行了较为系统的研究.结果表明,反应分别在第一个氢迁移(4IM1→4TS1/2),第三个氢迁移(4TS15/16→4IM15)以及2Ni+翻转过程(4IM5→4TS5/6,2TS11/12→2IM12)发生了二、四重态势能面的交叉,本文运用内禀反应坐标单点垂直激发计算的方法得到势能面大致的交叉点(CP),进一步利用Crossing2004程序获得精确的最低能量交叉点(MECP).对MECP附近的自旋轨道耦合(SOC)常数进行了计算.MECP1~MECP4处的SOC值分别为318.01,396.89,268.74和306.67 cm-1.较大的SOC值说明不同势能面间发生了有效地跃迁并使反应沿着最低反应通道进行.对反应通道的研究发现,反应中同面脱氢是主要反应通道.异面脱氢由于翻转过程中决速步骤势垒为33 kcal/mol(吸热3 kcal/mol),只生成少量的异面脱氢产物.计算结果解释了实验现象.

协变密度泛函理论中的张量力效应

张量力是核子-核子相互作用的重要成分,被认为是理解奇特原子核中壳结构演化规律的关键要素。然而,目前对于核介质中的张量力及其效应的定量认识,仍存在很多亟待解决的关键问题。着重梳理了在原子核密度泛函理论框架下,研究有效相互作用中的张量力成分以及相应的张量力效应的相关工作,重点包括:基于相对论Hartree-Fock理论,以同位素链中的质子幻数壳演化为例,定量提取与分析其中的张量力效应;以及基于第一性原理的相对论Brueckner-Hartree-Fock理论,以中子滴单粒子能谱中的自旋-轨道劈裂演化为例,提出与张量力效应相关联的"准实验数据"。最后,展望原子核密度泛函理论今后可能的发展策略。

水溶液中碳酸铀酰化合物的电子结构(英文)

应用相对论密度泛函理论系统研究了水溶液中非水合化和水合化碳酸铀酰化合物Cn/m(其中n和m分别为结构中碳酸配体和水配体的个数)的结构.溶剂效应采用类导体屏蔽模型(COSMO),并采用零级规整近似(ZORA)方法考虑标量相对论效应和旋-轨耦合相对论效应.电子跃迁采用包含旋-轨耦合相对论效应的含时密度泛函理论并在相关交换势中采用轨道势能统计平均(SAOP)做近似计算.结果表明碳酸配体对配合物结构和电子跃迁有很大的影响.C3/0配合物的稳定性可归于5f轨道参与了高占据轨道的成键作用.增加碳酸盐配体导致最大波长的蓝移,并在近可见光区域出现高强度的吸收.

含铀化合物UAl_3和USn_3电子结构的密度泛函研究

用第一性原理的全势能LMTO密度泛函能带计算方法研究了具有简单立方Cu3Au结构的含U化合物UX3(X=Al,Sn)的电子结构 .对于重原子U的相对论效应 ,除了用标量相对论加以修正外 ,还加入了自旋 轨道耦合的修正 .研究结果定性地说明了由于不同的交换关联电子势场的作用 ,在这两种结构相同的含U合金中 ,U的 5f电子态具有完全不同的性质 ,即在UAl3和USn3中U的 5f态分别表现为巡游扩展态和局域态行为 ,通过Stuttgart fatband分析 ,定量地对上述结论予以佐证 .同时 ,还解决了现存的有关理论研究之间的分歧 ,得出了与实验结果更为相符的上述两种含U合金体系电子结构的计算结果 .