二元和三元复合物中阳离子硫键与磷键的理论研究

采用MP2/cc-pVDZ和cc-pVTZ基组分别对复合物XH₂S⁺…NCH₂P和NCH₂P…PyX(X=NH₂, CH₃, H, CN, F, Cl, Br)中的硫键和磷键进行了研究, 讨论了键长、 键临界点的电荷密度(ρ)、 拉普拉斯密度(▽²ρ)、 范德华表面穿透距离、 二阶稳定化能和电荷转移量对硫键和磷键相互作用能的影响. 结果表明, 当取代基X为吸电子基团时, 形成的硫键较强. 当X为给电子基团时, 形成的磷键较强. 利用能量分解方法分析了取代基—CN导致硫键稳定性反常的可能原因. 还进一步讨论了三元复合物H₃S⁺…NCH₂P…PyX(X=NH₂, CH₃, H, CN, F, Cl, Br)中硫键和磷键的协同相互作用以及取代基对复合物稳定性的影响. 并通过对比相同的2种单体在三元复合物和二元复合物中的二阶稳定化能和相互作用能的差值, 说明了硫键与磷键起到相互促进的正协同作用, 增强了三元复合物的稳定性.     

H2XP…SHY复合物中磷键与硫键的理论研究

用从头算量子化学方法MP2 与CCSD(T)研究了H₂XP和SHY (X, Y=H, F, Cl, Br)分子的P与S之间形成的磷键X―P…S与硫键Y―S…P的本质与规律以及取代基X与Y对成键的影响. 计算结果表明, 硫键比磷键强, 连接在Lewis 酸上的取代基的电负性增大导致形成的磷键或硫键增强, 键能增大, 对单体的结构和性质的影响也增大; 而连接在Lewis 碱上的取代基效应则相反. 硫键键能为8.37-23.45 kJ·mol^-1, 最强的硫键结构是Y 电负性最大而X 电负性最小的HFS…PH₃, CCSD(T)计算的键能是16.04 kJ·mol^-1; 磷键键能为7.54-14.65 kJ·mol^-1, 最强的磷键结构是X 电负性最大而Y 电负性最小的H₂FP…SH₂, CCSD(T)计算的键能是12.52 kJ·mol^-1. 对磷键与硫键能量贡献较大的是交换与静电作用. 分子间超共轭lp(S)-σ^*(PX)与lp(P)-σ^*(SY)对磷键与硫键的形成起着重要作用, 它导致单体的极化, 其中硫键的极化效应较大, 从而有一定的共价特征.     

HXeBr与苯和苯的衍生物弱相互作用的理论研究

采用MP2/aug-cc-pVDZ (对于Xe和I原子采用aug-cc-pVDZ-PP基组)优化了复合物HXeBr…C₆H₅X (X=H, CH₃, NH₂, N(CH₃)₂, NHCH₃, OH, OCH₃, CN, F, Cl, Br, I, COOH, SO₃H, CF₃)及单体的几何构型, 详细分析了π…H键和双齿氢键两种弱相互作用类型的特征, 以及不同的取代基对这两种弱相互作用能的影响. 对14个双齿氢键型复合物, 我们发现复合物的相互作用能与苯环衍生物(C₆H₅X)的偶极矩, 复合物中Xe-Br键键长的变化, H-Xe键键长的变化和H-Xe键振动频率的变化, 以及双齿氢键上Br原子和两个H原子范德华表面相互穿透距离之和均有较好的线性关系. 另外, 我们还发现复合物的相互作用能与双齿氢键上两个键临界点的电子密度之和, 电子密度Laplacian值之和, 静电势之和, 以及双齿氢键和苯环碳原子形成环的环临界点处的电子密度, 电子密度Laplacian值以及静电势均有着较好的线性关系.     

从头计算法研究取代锂卡宾正离子的分子轨道和稳定化能

用从头计算法计算了各种取代的锂卡宾正离子XCHLi⁺(X=OH,NH₂,CH₂CH,NC,C₆H₅)相对于锂卡宾正离子CH₂Li⁺的稳定化能,并讨论了稳定化能和它们分子轨道的关系。具有π给予功能的取代基,在其共平面分子构型中,由于和卡宾碳和锂原子空轨道形成二电子多中心共轭分子轨道,因而具有最大的稳定作用。相反,在相应的正交构型中,稳定作用则较小。同时具有π给予和σ接受效应的取代基,π给予起主导作用。仅有σ接受功能的取代基,则有去稳定作用。考察它们的LUMO特点,发现它们具有较高的亲电反应性能。     

腈类与BH3络合的量子化学研究

经过以AO和孤立MO为基组的半经验自洽场MNDO计算,研究了RCN(R=F,OH,NH₂,CH₃)与BH₃之间的络合规律、取代基效应,对比了给体的"软端"和"硬端"与BH₃络合的情况。结果表明,决定络合作用力相对顺序的主要因素是给受电子共价作用。     

平面五配位硅、 锗XBe5H6(X=Si,Ge)团簇

采用密度泛函理论PBE0方法, 在aug-cc-pVTZ水平上理论预测了含平面五配位硅和锗原子的XBe₅H₆ (X=Si, Ge)团簇. 势能面系统搜索及高精度量化计算表明, 它们均为全局极小结构. XBe₅H₆(X=Si, Ge)团簇整体呈完美的扇形结构: Si/Ge原子被5个金属Be原子配位; 4个H原子以桥基方式与Be原子相键连, 剩余的2个 H原子以端基方式与两端的Be原子成键. 化学键分析表明, XBe₅H₆(X=Si, Ge) 团簇中XBe₅单元具有完全离域的1个π及3个σ键, 外围铍氢间形成4个Be—H—Be 三中心二电子(3c-2e)键及2个定域的Be—H键. XBe₅单元上离域的2π及6σ电子赋予体系π和σ双重芳香性, 并使Si/Ge原子满足八隅律（或八电子规则）. 能量分解-化学价自然轨道分析揭示, Si/Ge和Be₅H₆之间主要为电子共享键.     

NH3R++NHR2(R=H,CH3)体系质子传递反应的从头算研究

用从头计算法在HF/6-31G^*基组水平上研究了NH₄⁺+NH₃→NH₃+NH₄⁺,NH₄⁺+NH₂CH₃→NH₃+NH₃CH₃⁺,NH₄⁺+NH(CH₃)₂→NH₃+NH₂(CH₃)₂⁺以及NH₃CH₃⁺+NH₂CH₃→NH₂CH₃+NH₃CH₃⁺等4个体系的质子传递反应的机理.结果表明:(1)上述质子传递反应均具有双阱型的势能面,质子沿N(1)、N(2)连线直接传递;(2)质子受体分子中的甲基对质子传递起促进作用,而质子给体离子中的甲基则阻碍质子的传递。     

Keggin型多酸负载的单原子催化剂(M1/POM,M = Ni,Pd, Pt,Cu, Ag,Au, POM = [PW12O40]3-)活化氮气分子的密度泛函理论计算研究

采用量子化学密度泛函理论(DFT)结合自然键轨道(NBO)分析的方法对一系列以多酸为载体的单原子催化剂(SACs)(M₁/POM (M = Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, POM = [PW₁₂O₄₀]^3-)的分子几何、电子结构及红外光谱进行计算。结果表明,Pt₁/POM对N₂分子具有潜在的活化能力,Pt₁/POM与N₂相互作用主要来自于由金属Pt的d_xz和d_yz轨道与N₂的π^*反键轨道重叠,金属Pt的d_xz、d_yz轨道上的电子填充到了氮气的π^*反键轨道上弱化了N≡N成键,导致了N≡N之间的键长增大,有效的活化了氮气分子。对它们红外光谱的分析表明,Keggin型多酸负载金属后W―O_c―W振动吸收峰发生劈裂,产生了五个典型的红外特征吸收峰。     

单电子卤键复合体系H_3C…Br—Y(Y=H,CN,NC,CCH,C_2H_3)的作用机制

对单电子溴键复合物H3C…Br—Y(Y=H,CCH,CN,NC,C2H3)的结构与性质进行了理论研究.在B3LYP/6-311++G**水平上计算了稳定构型并做了频率分析.BSSE矫正的相互作用能(EBSSE)和NBO及AIM分析输入的波函数在MP2/6-311++G**水平下完成.复合物H3C…Br—Y中,CH3(供电子体)自由基均提供一未成对电子与Br—Y中Br(受电子体)形成了单电子溴键,此单电子溴键也具有三电子键的特征.单电子溴键的形成导致甲基H的背向Y弯曲和Br—Y键的拉长及红移单电子溴键复合物的产生.考察了电子受体中不同取代基,C(spn)-Br杂化及溶剂的存在对复合物作用的影响,将单电子氢键,单电子卤键和单电子锂键的作用强度做了对比,进一步对Popelier提出的氢键体系中的前三个重要拓扑指标在单电子溴键体系中的重现性进行了探讨.     

PH2X与五元杂环体系磷键相互作用的理论研究

用MP2/aug-cc-pVDZ方法计算了PH2X(X=H,F,Cl,Br)与五元杂环化合物(吡咯、呋喃、噻吩)的相互作用,经完全均衡校正法校正基组重叠误差.在MP2/aug-cc-pVDZ优化基础上采用Gaussian 03程序包中的NBO程序计算了二级微扰稳定化能(ΔE2),并运用AIM 2000程序对其AIM性质进行了计算.为了进一步加强对该类相互作用的认识,应用约化密度梯度(RDG)填色等值面图和电子密度差图对代表性的体系进行了图形化分析.研究表明:PH3与三个五元杂环化合物形成的是P—H…π氢键相互作用;PH2X(X=F,Cl,Br)与五元杂环化合物形成磷键相互作用,这些磷键体系存在π型和n型两种形式的磷键相互作用,前者形成复合物的稳定性高于后者,并且相互作用大小与磷原子到杂环质心的矢量和P—X方向矢量的夹角密切相关.作为比较,我们对PCl3与这三种杂环化合物之间的相互作用也进行了研究,结果发现,PCl3分子中沿Cl—P键的P端出现了三个正的静电势区域或称作"σ-hole",因此其与杂环化合物形成的是分子间多磷键复合物.AIM拓扑分析表明磷键相互作用的本质属于闭壳层静电相互作用,且电子密度与复合物稳定性呈正相关.RDG图形化分析揭示了磷键相互作用所在的空间位置以及相对强度.DDF分析表明,磷键相互作用的存在使磷原子端基的电子密度减少,而沿着P—X轴以及五元杂环分子的电子密度增加,从而直观地体现了形成复合物后电子密度的重排情况.     

NH4VO3在NH4H2PO4-H2O和(NH4)3PO4-H2O体系中的溶解度

采用等温溶解法测定了偏钒酸铵(NH₄VO₃)在NH₄H₂PO₄-H₂O和(NH₄)₃PO₄-H₂O体系中T = 298.15-328.15 K时的溶解度以及溶液的密度和pH值。结果表明, NH₄VO₃的溶解度随着(NH₄)₃PO₄或NH₄H₂PO₄溶液浓度的增大,先降低后升高,这是由于同离子效应、化学反应平衡及离子活度的共同作用。比较T = 298.15K时, NH₄VO₃分别在NH₄H₂PO₄-H₂O、(NH₄)₂HPO₄-H₂O和(NH₄)₃PO₄-H₂O体系中溶解度,发现在相同的磷酸盐浓度下, NH₄VO₃的溶解度在NH₄H₂PO₄-H₂O体系中最大,在(NH₄)₃PO₄-H₂O体系中居中,在(NH₄)₂HPO₄-H₂O体系中最小。进一步地,在T = 298.15 K和磷酸盐浓度C = 0.5 mol·kg^-1时,结合pH值和反应溶度积常数K_SP等计算三个体系中的平均离子活度系数(γ_±),发现γ_±值在(NH₄)₂HPO₄-H₂O体系中最大,在(NH₄)₃PO₄-H₂O体系中居中,在NH₄H₂PO₄-H₂O体系中最小,与溶解度规律一致。     

羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究

二氧化碳(CO₂)和化石能源气体燃料甲烷(CH₄)均是化学稳定、 温室效应较大的分子, 因而对其活化、 转化和利用的研究具有显著的理论和实际意义. 本文采用密度泛函理论方法, 计算研究了羟基氧化铟团簇与CO₂, CH₄和(CO₂+CH₄)的作用. 结果表明, 氧化铟团簇通过其活性位点—In—O(桥氧)—对CO₂和CH₄分子进行[2+2]加成活化, 而羟基的引入调变了氧化铟团簇活性位点上的局部电荷, 显著降低了其与CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒, 使得CO₂和CH₄分子的活化变得容易进行. 活性位点—In—O(桥氧)—中的In, O上的局部电荷差值(q_In－q_O)越大, 其对CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒越低. 羟基氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子由羟基氧化铟流向CO₂和CH₄分子(亲核活化); 而羟基引入前的氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子则由CO₂和CH₄分子流向氧化铟(亲电活化).     

1,2-双(四甲基环戊二烯基)四甲基二硅烷与六碳基钼的反应

1,2-双(四甲基环戊二烯基)四甲基二硅烷与正丁基锂作用生成(四甲基二硅撑)双(四甲基环戊二烯基负离子盐),后者随即与六碳基钼反应形成1,1'-(四甲基二硅撑)双(四甲基环戊二烯基铝负离子盐)-(Me₂SiSiMe₂)[Me₄CpMo(CO)₃-Li⁺]₂(I),I与冰醋酸作用,随即分别与CCl₄,NBS及I₂反应,生成相应的铝卤化合物(Me₂SiSiMe₂)[Me₄CpMo(CO)₃X]₂[X=Cl(1),Br(2),I(3)].I与CH₃I反应,在钼原子上发生烃基化,得到产物(Me₂SiSiMe₂)[Me₄CpMo(CO)₃Me]₂(4);I与单质I₂直接反应,生成脱硅桥产物Me₄Cp(CO)>₃I(5).经元素分析、IR及¹HNMR表征了化合物1-5的结构。     

Ni/CeO2-Al2O3催化剂上CH4-CO2转化积炭性能的研究

采用脉冲微量反应技术研究了添加n型半导体氧化物CeO₂对Ni基催化剂上CH₄积炭/CO₂消炭性能的影响,用TPR,XPS和氢吸附技术对催化剂进行了表征.结果表明,活性金属原子Ni与半导体氧化物CeO₂之间存在金属-半导体相互作用(MScI),CeO₂的添加提高了活性原子Ni⁰的d电子密度,在一定程度上抑制了CH₄分子中C-Hσ电子向d轨道的迁移,降低了CH₄裂解积炭活性;可加强Ni⁰原子d轨道向CO₂空反键π轨道的电子迁移,促进CO₂分子的活化,提高CO₂的消炭活性,使Ni/CeO₂-Al₂O₃催化剂具有较强的抗积炭性能.     

2, 5-二氟苯酚分子之旋转异构物的质量分辨阈值电离光谱

利用共振双光子电离(R²PI)技术和质量分辨阈值电离(MATI)技术来研究2, 5-二氟苯酚分子。实验所测得的顺式、反式2, 5-二氟苯酚分子电子激发能E₁分别为36448和36743 cm^-1,绝热电离能分别为71164和71476 cm^-1。这两个顺反转动同素异构分子在电子激发S₁态与离子D₀态活性振动主要是由于面内环变形和与取代基相关的弯曲振动。分析2, 5-二氟苯酚分子的振动光谱、D₀态离子光谱以及理论计算均表明这两个转动异构体在D₀态的几何构型与S₁态的中性几何构型相当相似。     

双铂核药物与DNA作用的理论研究

利用分子力学和量子化学方法研究了双铂核药物［{trans-PtCl(NH₃)₂}₂(μ-NH₂(CH₂)_nNH₂)］²⁺与寡聚DNA片段d(ATATG*TACATAT)·d(ATGTG*TACATAT)复合物的几何构型和电子结构. 计算结果表明,Pt配合物与DNA中碱基G的N7原子形成了较强的配位键,并与O6原子之间存在较强的静电作用,使药物与DNA产生稳定作用,药物中的烃链的伸缩性使得DNA在键合药物后其构型并未发生大的变化. 同时,铂配合物中配体NH₃上的H与其邻近的鸟嘌呤的O6,DNA中磷酸根上的O以及与其邻近的碱基T上的O或N等电负性较大的原子间形成的氢键及弱氢键也是影响Pt配合物与DNA键合及其几何结构变化的重要因素. 这些化学键和氢键是药物分子能够对DNA进行识别的重要基础. 因此,可以认为药物结合后所引起DNA的变形较小可能是药物与顺铂产生不同的抗癌机理的主要原因.     

三卤化硼的相对论赝势ab initio研究

用相对论赝势abinitio优化BX₃(X=F、Cl、Br、I)系列分子的几何构型,系统地研究了BX₃系列电子结构的变化规律。发现由BF₃至BI₃σ成键作用逐渐减弱,π成健(p-π反馈键)作用逐渐增强。用单电子S-O算符微扰法计算了BX₃的旋-轨分裂,并根据Koopmans定理重新指定光电子能谱。     

Mg2X（X=Sn,Pb）和Mg3X2（X=Sb,Bi）热电性质的第一性原理研究

为探索性能更优的Mg基热电材料,本文基于第一性原理,结合分子动力学从能带结构和态密度、马利肯键布居以及载流子相对质量等微观层面研究Mg₂X（X=Sn,Pb）和Mg₃X₂（X=Sb,Bi）在基态、施加温度场和压力下的电子结构和热电性质.研究表明:Mg₂Sn,Mg₂Pb,Mg₃Sb₂和Mg₃Bi₂分别在温度为800 K,750 K,700 K和800 K左右时能隙最小,态密度峰值和载流子相对质量达到峰值,键布居数最小,热电性能最优;Mg₂Sn和Mg₂Pb在低压1～4 GPa时热电性能更理想,Mg₃Sb₂和Mg₃Bi₂在高压4～8 GPa时热电性能更理想,微观特征均表现为导带底下降接近价带,同时键布居数减小,载流子相对质量增加.     

三元掺杂改性锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3

以柠檬酸为螯合剂和还原剂, NH₄VO₃为钒源,通过溶胶-凝胶法制备了锂离子电池正极材料Li₃V₂(PO₄)₃及其三元掺杂体系Li_2.85Na_0.15V_1.9Al_0.1(PO₄)_2.9F_0.1.分别采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能量损失谱(EELS)、拉曼(Raman)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、恒流充放电、循环伏安(CV)和交流阻抗谱(EIS)等技术对材料的微观结构、颗粒形貌和电化学性能进行分析.结果表明:在残余碳包覆的基础上, Na、Al、F三元掺杂有利于稳定Li₃V₂(PO₄)₃的晶体结构,进一步减少颗粒团聚和提升材料导电特性,促进第三个锂离子的脱出和嵌入,从而显著改善Li₃V₂(PO₄)₃的实用电化学性能.未经掺杂的Li₃V₂(PO₄)₃原粉在1/9C、1C和6C倍率下的可逆比容量分别为141、119和98 mAh·g^-1,而三元掺杂改性材料在1/9C、1C、8C和14C倍率下的比容量分别为172、139、119和115 mAh·g^-1.在1C倍率下循环300圈后,掺杂体系的比容量依然高达118 mAh·g^-1,比原粉高出32.6%.值得注意的是,这种三元掺杂还使Li₃V₂(PO₄)₃的多平台放电曲线近似转变为一条斜线,显示出可能不同的储锂机制.     

平面四方金属苯配合物的二阶超极化率的量子化学计算

反位平面四方型过渡金属有机配合物[XM(PEt₃)₂-C₆H₄-A] (M＝Pd, Pt; X＝Br, I; A＝NO₂, CHO), 具有较高的二阶超极化率. 采用从头算方法对该配合物的二阶超极化率进行了研究. 构型在MP2/Lanl2DZ水平优化. 基组采用赝势价分裂基Lanl2DZ添加弥散函数和极化函数. HF水平计算(个别情况用MP2计算验证)表明, 苯的对位取代基A的吸电子能力越强, 金属对位配体X的供电子能力越强, 则配合物的二阶超极化率越大.