CH2CO＋CH2的多通道反应的理论研究

利用密度泛函(DFT)和自然键轨道理论(NBO)及高级电子耦合簇[CCSD(T)]和电子密度拓扑(AIM)方法, 对单重态和三重态CH₂与CH₂CO反应的微观机理进行了研究. 在B3LYP/6-311＋G(d,p)水平上优化了反应通道各驻点的几何构型. 在CCSD(T)/6-311＋G(d,p)水平上计算了各物种的单点能量, 并对总能量进行了校正. 计算表明, 单重态CH₂与CH₂CO的C—H键可发生插入反应, 与C＝C、C＝O可发生加成反应, 存在三条反应通道, 产物为CO和C₂H₄, 从能量变化和反应速控步骤能垒两方面考虑, 反应II更容易发生. 对反应通道中的关键点进行了自然键轨道及电子密度拓扑分析. 三重态CH₂与CH₂CO的反应存在三条反应通道, 一条是与C-H键的插入反应, 另一条是三重态CH₂与C＝C发生加成反应, 产物为CO和三重态C₂H₄, 通道II势垒较低, 更容易发生. 最后一条涉及双自由基的反应活化能最大, 最难发生.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

RN (R＝CH3, CH3CH2)异构化及脱氢反应的量子拓扑研究

利用量子化学从头算CASSCF方法在6-311＋G (d, p)基组水平上对单线态和三线态RN (R＝CH₃, CH₃CH₂)异构化反应及RN脱氢反应的微观机理进行了理论研究. 在MP2/6-311＋G (d, p)和CCSD/6-311＋G (d, p)水平上进行了单点能校正. 单态和三态势能面的交叉点(ISC)的存在清楚地说明了基态反应物³RN异构化为基态产物¹R'NH (R'＝CH₂, CH₃CH)的过程. 电子密度拓扑分析显示在整个异构化过程中有两种类型的结构过渡态: 单态反应通道为T型过渡态, 三态反应通道为环状过渡态. 单线态RN脱氢反应通道中“原子-分子键”的存在说明两个H原子是以H₂的形式从RN中脱去的.     

单电子卤键复合体系H3C···Br-Y(Y=H, CN, NC, CCH, C2H3)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(E^BSSE)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.     

R2C＝GeH2和R2Ge＝CH2结构与成键特征的理论研究

用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-31＋G(d, p)水平上研究了取代基对二取代锗烯R₂Ge＝CH₂和R₂C＝GeH₂ [R＝H, OH, NH₂, SH, PH₂, F, Cl, Br, (NHCH)₂, CH₃, (CH)₂]的影响. 研究发现π供电子取代基在碳上时更能引起分子结构在锗端的锥型化. 碳原子上的π电子给予取代基的给电子效应越强, R₂C的单-三态能量差越大, π电子的反极化效应就越强, 使得化合物的结构在锗端发生的弯曲越明显, 从而使得弯曲结构更稳定. 和前人的计算相比, 碳上的给电子取代基对GeH₂结构影响大于它对SiH₂的影响.     

R2C＝GeH2和R2Ge＝CH2结构与成键特征的理论研究

用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-31＋G(d, p)水平上研究了取代基对二取代锗烯R₂Ge＝CH₂和R₂C＝GeH₂ [R＝H, OH, NH₂, SH, PH₂, F, Cl, Br, (NHCH)₂, CH₃, (CH)₂]的影响. 研究发现π供电子取代基在碳上时更能引起分子结构在锗端的锥型化. 碳原子上的π电子给予取代基的给电子效应越强, R₂C的单-三态能量差越大, π电子的反极化效应就越强, 使得化合物的结构在锗端发生的弯曲越明显, 从而使得弯曲结构更稳定. 和前人的计算相比, 碳上的给电子取代基对GeH₂结构影响大于它对SiH₂的影响.     

CH2＝CClF hν >•CH＝CClF＋H光解反应的理论研究

采用UHF, CIS和CASSCF方法, 在aug-cc-pvdz基组水平上对CH₂＝CClF ^hν >•CH＝CClF＋H的光解反应通道及其后续反应作了研究. 计算表明: 分子吸收一个光子后, 在第一电子激发态(S₁)经过一个过渡态解离与Cl原子同侧的C—H键, 这与用CIS方法计算垂直激发得到的π→σ^*_C—H跃迁及其对Frank-Condon点的计算中分子的单占轨道和键电荷密度变化所预测的结果是一致的. 光解产物•CH＝CClF(基态)还可再发生反应, 经过渡态解离C—Cl键或是C—F键.     

Au(II)化合物[Au(CH2)2PH2]2X2 (X＝F, Cl, Br, I)的量子化学理论研究

采用从头计算HF, MP2方法和密度泛函理论, 对Au(II)系列化合物[Au(CH₂)₂PH₂]₂X₂ (X＝F, Cl, Br, I)的几何结构、电子结构和振动频率进行了研究. 研究表明Au的5d和6s电子参与Au—Au以及Au—X之间的成键. Au—Au, Au—X键强烈的电子相关作用使HF方法不适于该体系的研究, BP86和B3LYP两种泛函给出较大的Au—Au和Au—X键长, 而MP2方法和局域的密度泛函方法则给出了合理的结构参数. 局域密度泛函方法计算得到的Au—Au键和 Au—X键振动频率也与实验数据符合较好. 还运用含时密度泛函理论计算了[Au(CH₂)₂PH₂]₂X₂的电子激发能, 对分子在紫外-可见光谱范围内的电子跃迁进行了分析, 考察了卤素配体对激发能的影响, 并结合分子轨道能级的变化对此给予了解释.     

Au(II)化合物[Au(CH2)2PH2]2X2 (X＝F, Cl, Br, I)的量子化学理论研究

采用从头计算HF, MP2方法和密度泛函理论, 对Au(II)系列化合物[Au(CH₂)₂PH₂]₂X₂ (X＝F, Cl, Br, I)的几何结构、电子结构和振动频率进行了研究. 研究表明Au的5d和6s电子参与Au—Au以及Au—X之间的成键. Au—Au, Au—X键强烈的电子相关作用使HF方法不适于该体系的研究, BP86和B3LYP两种泛函给出较大的Au—Au和Au—X键长, 而MP2方法和局域的密度泛函方法则给出了合理的结构参数. 局域密度泛函方法计算得到的Au—Au键和 Au—X键振动频率也与实验数据符合较好. 还运用含时密度泛函理论计算了[Au(CH₂)₂PH₂]₂X₂的电子激发能, 对分子在紫外-可见光谱范围内的电子跃迁进行了分析, 考察了卤素配体对激发能的影响, 并结合分子轨道能级的变化对此给予了解释.     

CH3S自由基H迁移异构化及脱H2反应的直接动力学研究

采用密度泛函方法(MPW1PW91)在6-311G(d,p)基组水平上研究了CH₃S自由基H迁移反应CH₃S→CH₂SH (R1), 脱H₂反应CH₃S→HCS＋H₂ (R2)以及脱H₂产物HCS异构化反应HCS→CSH (R3)的微观动力学机理. 在QCISD(t)/6- 311＋＋G(d,p)//MPW1PW91/6-311G(d,p)＋ZPE水平上进行了单点能校正. 利用经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)分别计算了各反应在200～2000 K温度区间内的速率常数k^TST和k^CVT, 同时获得了经小曲率隧道效应模型(SCT)校正后的速率常数k^CVT/SCT. 结果表明, 反应 R1, R2 和R3的势垒△E^≠分别为160.69, 266.61和241.63 kJ/mol, R1为反应的主通道. 低温下CH₃S比CH₂SH稳定, 高温时CH₂SH比CH₃S更稳定. 另外, 速率常数计算结果显示, 量子力学隧道效应在低温段对速率常数的计算有显著影响, 而变分效应在计算温度段内对速率常数的影响可以忽略.     

C78(CH2)2结构和光谱的半经验和密度泛函研究

用INDO系列方法研究C₇₈(CH₂)₂的18种可能异构体，表明最稳定异构体是42,43,62,63-C₇₈(CH₂)₂,其中CH₂加在C₇₈（C_2V）椭球长轴所穿过的同一六员环的两个6/6键上，形成类环丙烷结构。并对最稳定的四种异构体用B3LYP/3-21G方法进行了结构优化,在此基础上, 用INDO/CIS方法计算的C₇₈(CH₂)₂稳定异构体的电子光谱的第一吸收峰和用AM1方法计算的碳笼上的C-C键的主要红外振动频率与C₇₈（C_2V）相比发生兰移，原因是C₇₈(CH₂)₂具有较大的LUMO-HOMO能隙和由于加成带来的共轭体系变小。在B3LYP/3-21G水平上计算的¹³C NMR谱表明,被加成的C-C键上的C原子化学位移向高场移动, 这是因为sp²杂化的C 原子被转化为 sp³杂化的C 原子.     

CH3O与ClO双自由基反应机理的量子化学研究

在QCISD(T)/6-311＋G(d,p)//B3LYP/6-311＋G(3df,3pd)水平上, 对CH₃O与ClO双自由基反应进行了理论研究. 结果表明, 该反应共有三个反应通道, 产物分别为HOCl＋CH₂O, CH₂O₂＋HCl和CH₃Cl＋O₂(¹Δ). 不论从动力学角度, 还是从热力学角度看, 形成产物HOCl＋CH₂O的通道均是最有利的, 因此为主要反应通道, 这与实验观察到的结果是一致的.     

硫叶立德化合物优势构型和键结构的量子拓扑研究

采用MP4（SDTQ）/6-311++G（d,p）和B3LYP/6-311++G（d,p）对所选四种化合 物进行构型优化，从量子拓扑学的角度对各稳定构型进行电子密度拓扑分析，讨论 了C-S键的特性。研究发现：（1）类硫叶立德自由基（·CHSH_2）和硫叶立德（ CH_2SH_2）基态的稳定构型都不具有C_s对称性；（2）类硫叶立德自由基和硫叶立 德中C-S键的性质类似，硫叶立德中π键由两个电子形成，类硫叶立德自由基中π 键由一个电子形成，所以前者的π键性质明显，后者的π键性质不明显；（3）类 硫叶立德自由基（·CHSH_2）中单电子π键中的电子主要在碳原子附近运动，属于 单电子π（C → S）配键，所以其C-S键的强度比相应的产物要弱。     

几个P-ylide反应机理的量子拓扑研究

采用MP2(FC)/6-311++G(d,p)对磷叶立德和类磷叶立德自由基反应机理进行了探讨.优化了中间体、过渡态和产物的几何构型,并采用内禀反应坐标法进行追踪.侧重从量子拓扑学的角度,对反应过程中各点进行电子密度拓扑分析,讨论了反应过程中化学键的断裂、生成和化学键的变化规律.上述两个反应都经历三员环过渡态,找到了这类反应的能量过渡态和结构过渡态.     

CH3与NO反应机理的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G**和高级电子相关耦合簇CCSD(T)/6-311G**方法计算研究了CH₃与NO反应机理, 全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型, 用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法, 对过渡态进行了验证. 研究结果表明: CH₃与NO是一多通道多步骤的复杂反应, 可以分别在单重态和三重态势能面上进行. 经过缔合, 氢转移和离解等复杂过程, 最终得到8种产物(P1～P8).     

CH3SOx (x＝0, 1)与三线态Oy (y＝1, 2, 3)反应机理的理论研究

采用B3LYP方法和6-311G(d, p)基组对CH₃S及其氧化后继物CH₃SO与O_y (y＝1, 2, 3)反应形成酸雨的微观机理进行了理论研究. 对反应势能面上的各驻点进行几何构型全优化. 振动分析和IRC计算证实了中间体和过渡态的真实性和相互连接关系. 找到了7条生成SO₂的反应途径, 其中CH₃S与O直接反应得到产物CH₃和SO最容易进行; CH₃S先与O₃反应, 其产物再与O₃反应得到CH₃SO₂, CH₃SO₂最后分解得到CH₃S和SO₂较容易进行, 其它的反应较难进行.     

CH3与NO反应机理的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G**和高级电子相关耦合簇CCSD(T)/6-311G**方法计算研究了CH₃与NO反应机理, 全参数优化了反应势能面上各驻点的几何构型, 用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法, 对过渡态进行了验证. 研究结果表明: CH₃与NO是一多通道多步骤的复杂反应, 可以分别在单重态和三重态势能面上进行. 经过缔合, 氢转移和离解等复杂过程, 最终得到8种产物(P1～P8).     

多组态二级微扰理论计算CH3O2激发光谱以及CH3O2→CH3＋O2解离反应

在C_s对称性和aug-cc-pVTZ基组水平下, 采用全活化空间自洽场方法(CASSCF)研究了CH₃O₂自由基基态及其阴阳离子的12个低激发态. 为了进一步考虑动态电子相关效应, 采用二级多组态微扰理论(CASPT2)获得更加精确的能量值. 所有计算得到的电子态都是价电子态, 而且所得绝热激发能和电子亲和势与实验值非常接近.在CASPT2//CASSCF理论水平下计算了CH₃O₂从²A"和²A'电子态的CH₃O₂→CH₃＋O₂的解离反应的势能曲线(PECs). 优化得到的裂解产物的几何结构和能量与分别优化CH₃和O₂得到的结果进行比较, 从而确定裂解产物的电子态. 结果表明, 从²A"和²A'电子态的解离反应分别对应产物CH₃(²A")＋O₂(³A")和CH₃(²A")＋O₂(¹A").