晶体化学中的键电荷模型及其应用前景

键电荷模型将晶体中原子的有效电荷与键长有机地联系起来，从而提供了一种揭示分子晶体结构和电子结构相关关系的方法．键电荷模型的建立被看作是当今无机固体化学的一个重大进展，它具有简洁性、可靠性和实用性的特点．对于晶体中原子的电荷分布，结构畸变的研究和键长的确定有独特之处．值得研究和发展．本文简述了这一模型的基本原理及其应用前景．同时做出了简单的评价．

键电荷与键共价性之间的关系研究(英文)

用一种半经验方法研究了固体材料中键电荷与键共价性的关系．这一理论方法是Ｐｈｉｌｉｐｓ，ＶａｎＶｅｃｈｔｅｎ，Ｌｅｖｉｎｅ，及Ｔａｎａｋａ等人提出的介电描述理论的推广．通过对一个例子ＲＭｎ２Ｏ５（Ｒ＝Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ）的研究发现，键电荷越多，所产生的键共价性越大。

氢化物热力学性质与键的离子性和有效键电荷密度的相关性

根据量子化学理论，探讨了氢化物ＨｎＡ（ ｎ ＝ １ ，２ ，３ ，４） 的热力学性质与量子化学 的Ｘα价轨道能、有效键电荷密度ＱＡ－ Ｈ 的相关关系，从而提出了一个定量研究氢化物一些热力学性质与其结构之间关系的新模型；并用它计算了１７ 种氢化物的５ 种热力学性质。

电荷辅助氢键的形成机制及环境效应研究进展

氢键(Hydrogen bond)作为分子间一种常见的相互作用力,在物理、化学和生物过程中起着重要作用,这种所谓的"弱相互作用"已经被广泛研究。因独特的键合方向性和成键特异性,该键合作用能够在分子聚集过程中提供最佳的控制,被应用于晶体材料合成工艺领域。尤其是离子或电荷辅助下形成的氢键,即电荷辅助氢键(Charge-assisted hydrogen bond,CAHB),其键合强度相当于共价键,引起了研究者的关注。CAHB是指相对于普通的氢键作用,形成氢键作用的两个物质之间存在电荷分布,能够直接形成CAHB。实际上,在给定的共振结构中,电荷的分布是间接导致相对较强的CAHB形成的主要原因。此外,两性离子组分与携带相反电荷的载体之间伴随着库仑相互作用,由于存在两个能量等价的价键共振形式,进而形成具有更强结合作用的CAHB。其中,与质子供体原子上正电荷之间形成(+) CAHB,与质子接受基团上的负电荷之间形成(-) CAHB。研究发现CAHB作为一类低阻氢键,或类似于阳离子桥的盐桥,普遍存在于环境过程中。其键强比普通的氢键强得多,具有与共价键相当的特性,该特性有助于环境中许多介质自组装过程的发生。CAHB作用下形成的超级大分子结构就是天然有机质在环境中的主要存在形式。吸附是常用于去除水环境中可解离的两性有机污染物的技术手段。研究发现,碳基吸附剂和离子型化合物之间的静电相互作用可能是去除诸多离子型化合物的主要吸附机制。然而,一些其他研究已经注意到,单独的静电相互作用不能解释pH值对发生解离后的离子型污染物吸附的影响,这表明存在额外的物理或化学相互作用机制需要进一步研究。CAHB作为负电荷吸附质和吸附剂之间强的作用力,能较好地解释吸附实验中出现的一些异常现象。本文综述了CAHB在环境中的成键机理以及产生的环境效应。结合部分实验数据,着重论述了CAHB作为天然有机质(包括腐殖质和溶解性有机质)共轭形成超级大分子的重要作用机理。最后,对CAHB参与的复杂水质条件下的环境行为及其受天然有机质的影响,以及碳基吸附剂去除离子型有机污染物的选择和制备方面的研究提出了展望。

电荷辅助氢键对腐殖酸分子量和溶解性的影响

采用体积排阻色谱和总有机碳分析法,分别测定腐殖酸体系中加入盐酸、甲酸、乙酸和丙酸后其分子量和溶解性发生的变化;通过分析抗坏血酸、苯甲酸、苯酚和邻苯二酚4种模型化合物在甲酸影响下的紫外光谱,以验证电荷辅助氢键的存在。结果表明:小分子有机酸能够明显降低腐殖酸的分子量;此外,当腐殖酸体系pH接近小分子有机酸的pKa时(DpKa<0.5),腐殖酸溶解性明显增大。小分子有机酸可能与腐殖酸之间形成电荷辅助氢键,从而打破弱作用力维持的腐殖酸超分子的稳态结构,导致腐殖酸分子量的降低和溶解性的增加;且弱酸与有机物之间的pKa相差越小,形成的电荷辅助氢键能量越高,腐殖酸分子结构受到的扰动程度越大。一维紫外光谱和同步二维相关紫外光谱分析进一步表明,小分子有机酸可能与pKa接近的化合物之间形成电荷辅助氢键,整体跃迁所需能量提高,造成低波长吸收增大而高波长吸收减小的结果。

应用ABEEM/MM模型研究甘氨酸与水的氢键作用

应用原子-键电负性均衡方法中的浮动电荷分子力场(ABEEM/MM),我们构建了1个新的甘氨酸(Glycine)-水势能函数,并将其应用到甘氨酸与水组成的二聚体的研究中.首先研究了甘氨酸单体的几何构型,构型结果与可获得的实验数据显示了很好的一致性;根据对甘氨酸中氮原子和氧原子的孤对电子电荷分布的ABEEM/MM方法分析,可以解释水与作用点形成氢键的强弱;进而研究了甘氨酸与1个水作用的结合能,ABEEM/MM模型与从头计算方法得到的结果显示了很好的一致性.表明我们势能函数的合理性以及参数的正确性.

水溶液中氨基酸侧链对G∶C碱基对间氢键影响的理论研究

利用量子化学方法研究了气相和水溶液下,氨基酸侧链与鸟嘌呤和胞嘧啶间的氢键作用.应用B3LYP/6-31＋G（d,p）方法优化复合物几何结构,使用MP2/aug-cc-p VDZ方法进行复合物能量、自然键轨道（NBO）电荷和二阶稳定化能的计算.结果表明,水溶液可使氨基酸侧链与碱基或碱基对之间氢键键能显著减小;带电复合物气相和水溶液氢键键能之差范围为50.63-146.48 kJ/mol,中性为0.17-24.94 kJ/mol;电荷的转移量与氢键键能成正比,电荷转移量越多,复合物越稳定;二阶稳定化能与氢键键长成反比,与电荷转移量成正比,且气相与水溶液氢键二阶稳定化能之比约为两相的电荷转移量之比.水溶液对该类体系中氢键作用具有明显影响.

苯氧乙酸类浮选抑制剂性能的量子化学计算

运用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,取6 31G 基组,对苯氧乙酸类浮选抑制剂分子进行了量子化学计算。通过官能团羧基的键电荷密度及其比值ρ(O—H)/ρ(C—O)的计算,比较了各药剂分子离解成一价负离子的难易。根据各分子的前线轨道能量差ΔEHOMO LUMO和一价负离子的HOMO能级,对分子的反应活性、一价负离子与矿物表面不同金属离子作用的强弱进行了比较。从药剂与矿物表面作用前后的能量变化,比较了各药剂的一价负离子与不同矿物表面发生作用的稳定性,并通过对比矿物与捕收剂作用后的能量变化,证明苯氧乙酸类抑制剂对方解石的抑制作用是靠抑制剂在矿物表面强烈的化学吸附而形成的。

单壁碳纳米管的结构与稳定性

基于价键电荷模型计算了碳纳米管的结合能随管径和手性角的关系.结果表明,单壁碳纳米管的结合能随着管径的增大逐渐降低,也随着手性角的增大而降低.计算结果为从能量的角度理解各类碳纳米管产生丰度提供了理论参考.

苯氧乙酸类化合物的酸离解常数测定及其量子化学计算

用电位滴定法测定了 7种苯氧乙酸类化合物的酸离解常数 ,其酸性均强于乙酸和苯甲酸 ,且其酸性变化规律与经典的有机化学理论完全相符 ,氧原子的诱导效应和对苯环的共轭效应使苯氧乙酸类化合物容易离解出质子 ,而氧原子对苯环的供电子作用使得含有 2个或 2个以上—OCH2 COOH基团的苯氧乙酸类化合物的酸性比苯氧乙酸弱。用半经验量子化学CNDO/2方法 ,分别计算了 7种苯氧乙酸化合物分子中各个羧基的O—H键和C—O单键的键电荷密度 ,计算了键电荷密度比 :f =ρO—H/ρC—O。结果表明 ,苯氧乙酸的羧基f值大小及其它 6种苯氧乙酸类化合物最易发生离解的羧基 f值大小顺序 ,分别与它们的pKa 或 pKa1值的大小顺序相对应 ,故 f值可以作为苯氧乙酸类化合物酸性强弱的判据。

Pb在钪铌酸铅铁电相形成中的驱动作用：第一性原理研究

采用了第一性原理计算的方法，研究了在铅基固溶体Pb（Sc1/2Nb1/2）O3（PSN）的铁电相的形成过程中，Pb的驱动作用。利用修正后的键电荷模型（Bondvalence model，BVM）对超晶胞中原子的位移进行了分析，结果显示Pb的次近邻B位原子的不对称性导致了Pb的不同方向位移，进而导致铁电相的最终形成。为了进一步说明这个模型的有效性，计算了优化前与优化后超晶胞中两种B位离子与氧离子之间化学键的键长。最后计算了优化之后超晶胞在Gamma点的声子谱，其中存在的不稳定模表明，PSN在低温下可能还存在从铁电相到另一相的相变。

β-CaSiO_3晶体的电子结构及光学性质

基于第一性原理的平面波赝势方法(PWP)的局域密度近似(LDA)/广义梯度近似(GGA)计算了β-Ca-SiO3的几何结构、能带结构、态密度和光学性质。其晶胞参数优化结果与实验相比,LDA/GGA的相对误差为-3.62%/1.91%。对优化后的β-CaSiO3晶体进行能带结构分析表明,β-CaSiO3晶体为间接带隙结构,禁带宽度Eg(LDA)=5.53eV,Eg(GGA)=5.18eV。对态密度图及Mulliken电荷分布的分析表明,Ca的d轨道有电子分布,即Ca的s、p、d轨道均参与了成键。β-CaSiO3晶体中Ca与SiO3基团之间形成的化学键主要是离子键,而Si与O之间的化学键是共价键。

无机含氧酸酸强度研究评介

在介绍有关无机含氧酸酸性强度的研究工作,包括其经验规则,它与配位键和键电荷稠度的关系的同时对之进行了评论分析,并提出了自己的意见。以加深人们对无机含氧酸酸性的认识。

苯并咪唑苯并异喹啉酮及其衍生物的电子结构和光谱性质的理论研究

采用密度泛函、含时密度泛函和单激发组态相互作用(CIS)方法研究了苯并咪唑苯并异喹啉酮(1)及其衍生物的电子结构特性和光谱性质,并用极化连续模型考虑了溶剂的影响.结果表明,化合物1及其衍生物的吸收和荧光发射过程的电子垂直跃迁是由于分子内的电荷迁移.化合物1中取代基的位置及给吸电子能力影响其HOMO-LUMO能隙和电荷迁移量.在分子中引入吸电子和给电子取代基,均使最大吸收波长和最大荧光发射波长红移,计算的结果与实验结果吻合得较好.

无机酸的结构与性能的关系

本文主要根据酸碱质子理论讨论了无机酸的结构与性能的关系，提出了比较无机酸强度的方法．

铁离子在Tl系1223超导相中的分布研究

对不同掺铁量的Tl系 12 2 3相样品 ,测量了室温和 77K的穆斯堡尔谱 .根据铁可能具有的不同局域环境 ,按四套四极劈裂双峰进行拟合 .发现室温下四套亚谱的同质异能移位均为 0 .2 5mm/s左右 ,表明铁在12 2 3超导相中以高自旋Fe3 + 形式存在 .其四极劈裂分别为 1.40mm/s ,1.12mm/s ,0 .5 5mm/s和 1.90mm/s左右 .按照点电荷 有效价键模型 ,计算了铁处于不同局域位置时的核四极劈裂的大小 .对铁所占晶位进行指认 .

从头算和ABEEMσπ/MM对(CH_3OH)_n(n=3～12)和[Na(CH_3OH)_n]^+(n=3～6)体系的研究

采用从头算方法(ab initio)和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场方法(ABEEMσπ/MM),对甲醇团簇(CH_3OH)n(n=3~12)和[Na(CH_3OH)_n]^+(n=3~6)体系的结构、电荷分布和结合能进行研究.依据从头算结果构建上述体系的ABEEMσπ/MM浮动电荷势能函数,并确定相关参数.结果表明,ABEEMσπ/MM所获得的结构和结合能等均优于OPLS/AA力场,并与从头算结果相符,其中键长的平均绝对偏差(AAD)小于0.004 nm,键长、键角和结合能的相对均方根偏差(RRMSD)分别小于3.8%,1.7%和6.8%;电荷分布与从头算结果的线性相关系数均大于0.99.

应用ABEEM/MM力场探究Na^+与氮-甲基乙酰胺及水的相互作用

应用量子化学方法 MP2/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-31+G(d,p)和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEM/MM),对[Na(H_2O)n]+(n=3～8),[Na(NMA)n]+(n=3～8)和[Na(NMA)n(H_2O)m]+(n+m=4,6)(NMA=氮-甲基乙酰胺)体系的结构、结合能和电荷分布进行研究.在计算结果的基础上,构建上述体系的ABEEM/MM可极化势能函数,优选并确定相关参数.结果表明,ABEEM/MM的计算结果与量子化学的计算结果相符:Na+与配体间距离的平均绝对偏差(AAD)小于0. 007 nm,相对均方根偏差(RRMSD)小于3. 5%,夹角的AAD小于2. 4°,RRMSD小于2. 0%,结合能的AAD小于8. 9 k J/mol,RRMSD小于12. 4%;ABEEM/MM电荷分布与量子力学(QM)电荷分布的线性相关系数在0. 97以上.

Solvent Effects on Two-Photon Absorption of Alkyne and Alkene π-bridging Chromophores

The present work concerns the study of solvent effects on the geometrical structures, as well as one- and two-photon absorption （TPA） processes, for two series of alkyne and alkene π-bridging molecules, within the framework of the polarization continuum model. Particular emphasis was put on the characterization of solvent effects on the molecular geometrical structures and geometric distortion, which were measured by the bond-length-alternation parameter. The π centres in the compounds are seen to play a decisive role in increasing the TPA cross section and nonlinear optical properties. All studied molecules have relatively strong TPA characteristics, while the alkyne π-bridging ones yield larger TPA cross sections.