非平衡溶剂化的连续介质模型和超快过程溶剂效应

在连续介质理论基础上, 根据Jackson的能量积分公式导出非平衡态静电自由能和溶剂化能的正确表达式. 引入“弹簧能”概念, 对平衡态和非平衡态的静电能构成给出了合理解释, 即此能量由溶质自由电荷和溶剂极化电荷的自能、 两者之间的相互作用能和极化电荷的“弹簧能”构成. 对目前几种代表性的非平衡溶剂化理论进行了论证和比较, 指出其中存在的基本理论问题. 根据新的非平衡溶剂化能建立了电子转移反应溶剂重组能的双球模型、 光谱移动的单球孔穴点偶极模型, 多级展开方法和非平衡溶剂效应的数值解方法.在Poisson方程求解中引入类导体屏蔽模型, 建立了任意孔穴极化电荷数值解方法并应用到Closs-Miller电子转移体系, 得到与实验值吻合的溶剂重组能, 解决了传统非平衡溶剂化理论高估溶剂重组能的问题.     

线性响应和两种态特定方法模拟AF350电子跃迁的溶剂效应

在极化连续模型框架下比较了线性响应与两种不同态特定方法计算的溶液中Alexa Fluor 350(AF350)分子激发能和光谱移动值的差异. AF350的第一激发态S0→S1电子跃迁属于π→π^*跃迁, 主要对应于最高占据分子轨道(HOMO)到最低空轨道(LUMO)的跃迁. 该分子激发态偶极矩大于基态偶极矩, 激发态时溶质溶剂相互作用比基态时更强, 随着溶剂极性增大, 会发生光谱红移的现象. 与实验值相比, 线性响应和两种态特定方法均高估了激发能, 其中以IBSF(Improta-Barone-Scalmani-Frisch)方法得到的激发能最小, 矫正的基态反应场方法(cGSRF)得到的激发能最大. 对于光谱移动值, 3种方法与实验值相比都偏小, 线性响应方法(LR)计算出的误差最大, 而IBSF方法得到的结果与实验值最吻合, 是预测溶液中AF350分子激发能和光谱移动值最准确的方法. 对比了Marcus传统理论和基于约束平衡的非平衡溶剂化理论的结果, 发现后者得到的激发能和光谱移动值更接近于实验值.     

基于约束非平衡溶剂化理论的对硝基苯胺π→π^＊光谱移动

采用根据连续介质理论和热力学约束平衡态方法得到的非平衡态溶剂化理论,在单球孔穴点偶极模型近似下推导得出了吸收光谱移动的解析公式．用含时密度泛函方法,在B3LYP／cc-pVDZ水平下研究了对硝基苯胺在水溶液中最低的π→π^＊跃迁的吸收光谱,利用新的溶剂化光谱移动公式,得到了与实验值-0．98eV符合很好的光谱移动值一0．99eV．     

溶液中卤素离子的垂直电离能

本文主要分为三部分:第一部分主要介绍了当前溶剂效应理论及其计算方法,以及溶液中卤素负离子体系光致离子化现象的研究现状;第二部分在前期工作基础上简单介绍约束平衡态理论的基本思想,并推导了溶液中光致离子化过程光谱移动和垂直离子化能计算的点电荷单球孔穴模型的计算公式;第三部分是将新的能量公式应用于卤素负离子体系的光谱移动和垂直离子化能的研究,并与传统的非平衡溶剂化理论及实验结果进行比较.Marcus的传统方法和我们过去的处理,都希望通过直接积分平衡和非平衡态之间所需做的功或者能量变化来直接推导非平衡态的静电自由能.但不论对于Marcus采用的积分功公式,还是我们采用的Jackson积分公式,其共同的特点都是只能用于处理平衡态之间的能量变化.因此,对于非平衡溶剂化态,本文采用Leontovich的热力学约束平衡态的方法处理非平衡态,其核心思想是任何一个热力学非平衡态都可以通过外加场的方法达到相应的热力学约束平衡态.在连续介质模型下,若采用电场强度E和电极化P描述溶质溶剂体系的静电状态,在光致离子化过程中,溶液中的溶剂和溶质会经历这样三个不同的状态:通过外加电场exE使非平衡态达到约束平衡态non non2ex2[E+E,P],而约束平衡态和非平衡态之间的能量差可以通过在保持溶剂极化不变条件下,迅速移走约束外场所需做的功计算.最终,根据约束平衡态理论,可以得到非平衡态的溶剂化能的表达式为:在单球孔穴点电荷模型下,其形式为相应的光谱移动和垂直离子化能公式为:本文采用卤素负离子体系作为算例.首先,根据Cl?的真空离子化能计算结果,选择CCSD-t/aug-cc-pvqz来计算所有体系的真空离子化能,对于I离子体系选择基组为DGDZVP.理论计算得到了与实验值吻合很好的卤素单原子和双原子分子离子的真空离子化能,计算结果显示卤素单原子离子的真空离子化能随半径的增加而减小且都高于3.0eV,而分子离子则随半径的增加而增大但均低于2.6eV.分别采用传统理论和本文推导的表达式计算卤素负离子体系在水溶液中的光谱移动和垂直离子化能,其中球孔穴半径选取离子半径.结果表明,我们计算得到的结果与光电子发射能谱观测的实验数据吻合很好,而传统非平衡溶剂化理论得到的结果则明显高于实验观测数据.而且,我们理论计算得到的CTTS光谱的值与实验测定的CTTS光谱值也相当接近,表明我们的公式在估算卤素负离子体系的光谱移动和垂直离子化能方面比传统非平衡理论更准确;另外卤素单原子离子和双原子分子离子的真空垂直离子化能随溶质半径的增加呈相反变化趋势,但是由于溶剂效应的影响,其在溶液中的垂直离子化能随半径的增大的变化趋势相同.     

溶质和溶剂极性对二氮杂苯异构体吸收光谱移动的影响

采用根据连续介质理论和热力学约束平衡态方法得到的新非平衡态静电溶剂化能公式, 在单球孔穴点偶极模型近似下推导得到了吸收/发射光谱移动计算的新解析公式. 在CASSCF(6,5)/6-31＋＋G**水平上分别计算了邻位、间位、对位三种二氮杂苯异构体真空中的 跃迁吸收光谱能量值和在5种不同极性溶剂中的偶极矩, 并讨论了三种异构体偶极矩变化和溶剂极性变化对 跃迁的吸收光谱移动的影响.     

用离散-连续模型计算NH2-,NH3和NH4+的溶剂化自由能

通过理论计算推测NH2-,NH3和NH4+在水溶液第一溶剂化层中与之直接作用的水分子分别为2,4和4个,并采用离散-连续模型计算了NH2-,NH3,NH3和NH4+在水溶液中的溶剂化自由能.结果表明,由于离散-连续模型在从头算水平考虑了溶质分子与第一溶剂化层溶剂分子之间的作用,能更准确地描述溶剂化作用.此外,采用更加符合溶液中真实情况的溶剂化构型,能得到更准确的溶剂化性质.     

基于原子表面的蛋白质水合自由能预测模型

提出了一种计算蛋白质水合自由能的简化模型（SAWSA 2）.模型把蛋白质分子中的原子分为20种不同的原子类型,通过每类原子的溶剂可及化表面以及相应的溶剂化参数,就可以得到分子的水合自由能.不同原子类型的溶剂化参数通过110个蛋白质分子水合自由能拟合得到,水合自由能的标准值采用了基于求解Possion-Boltzmann方程（PB）以及分子表面计算（SA） 相结合的方法.采用得到的模型,预测了20个蛋白质分子的水合自由能,预测值的相对值和绝对值都能和PB/SA的计算值很好地吻合,大大优于两种已报导的水合自由能模型.     

四氯化苯醌-二苯撑体系的光诱导电子转移研究

用从头算方法对四氯化苯醌-二苯撑体系分子间相互作用进行了理论计算研究.用MP2/6-31G^**方法,分别优化电子给体二苯撑,受体四氯化苯醌的稳定构型,用同样的方法优化配合物的层间距得到其最稳定构型,并计算了BSSE校正后的电子给受体配合物的稳定化能.用CIS/6-31++G^**方法,计算了给体、受体及配合物的电子激发态.理论计算验证了给体和受体间能形成稳定的电子给受体配合物,该配合物受光激发能直接产生电荷转移态.在球孔穴近似和点偶极近似下,对电荷转移吸收的理论计算结果进行了非平衡溶剂化能校正.经非平衡溶剂化能校正的电荷转移跃迁能与实验值符合较好.     

有机共轭体系电子转移反应的溶剂重组能

应用Marcus双球模型计算溶剂重组能λs时,在AM1法优化给受体几何构型基础上,提出了共轭体系电子云分布的扁球模型,并用统计的方法求出了rD/A.同时依照Miller等的处理办法,结合其他理论及实验证据将电子转移交叉反应中联苯分子的扭转能计入溶剂重组能λs中,从而用实验速率常数拟合出含扭转能的λs值.此实验拟合值与扁球法得到的λs计算值吻合得很好.通过比较理论值与实验值,发现了给受体间距的大小、受体分子的变化、溶剂的不同对λs计算值相对λs实验值的偏差的影响,直接证实了电子给受体的耦合作用,溶剂分子参与的超交换电子转移及溶质溶剂分子表面相互作用等量子因素造成的实际反应体系对溶剂经典连续介质模型的偏离.     

二氯二氰基苯醌及其阴离子自交换电子转移反应的理论研究

基于非平衡溶剂化能的约束平衡方法和溶剂重组能的新表达式, 实现了电子转移反应溶剂重组能的数值解, 研究了二氯二氰基苯醌(DDQ)及其阴离子体系DDQ-之间的自交换电子转移反应. 考虑了DDQ与DDQ-分子以平行方式形成受体-给体络合物时的两种构型. 引入线性反应坐标, 计算了该反应在不同溶剂中的溶剂重组能. 基于两态变分模型得到了反应的电子耦合矩阵元. 根据电子转移动力学模型, 计算了该自交换电子转移反应的速率常数.     

氮氧自由基的研究VIII. 关于溶剂极性经验参数的讨论

作者测定了有机溶剂-水二元混合溶剂体系中2,2,6,6-四甲基哌啶1-氧自由基(TMPO)的ESRaN 值. 这类混合溶剂体系中aN-m关系可归属有机二元混合溶剂体系的四种典型线关系. 比较了几种溶剂极性经验参数, 说明各种经验极参数-m关系图的差异是特定模型反痘中溶剂分子与溶质分子间相互作用不同的反映. 对二元混合溶剂体系而言, aN-Er(30),aN-Z一般不具有线线性关系, 认为溶剂极性经验参数是溶剂(包括溶剂混合物)对模型化合物溶剂化能力的标度, 给出了在各种溶剂体系中的aN 测定值, 作为溶剂对中性偶极分子相对溶剂化能力的经验标度.     

定标粒子理论计算非水溶液的盐效应常数

本文应用定标粒子理论计算了非电解质溶质在盐(NaI、或KI)和环丁砜组成的非水电解质溶液中溶解度的盐效应常数。硬球作用项采用Masterton-Lee的方法。软球作用项采用胡英等的径向分布函数处理方法, 并考虑进了偶极-偶极、偶极-诱导偶极、电荷-偶极和电荷-诱导偶极等相互作用。分子的硬球直径σ和能量参数∈/k由经验方程计算。由理论值和实验结果比较得出: 当σ_2取0.563 nm、离子半径取电子密度标度时, 理论值与实验值符合得较好。     

电子给受体复合物中电荷转移吸收光谱和溶剂效应

用MP2/6-31G^**方法研究了二氯甲烷溶剂分子与电子给体、受体以及电子给受体复合物间的相互作用,结果表明,二氯甲烷与电子受体和电子给受体复合物间有弱氢键相互作用.利用CIS/6-31++G^**方法研究了溶剂与溶质分子间形成氢键对激发态的影响.自然键电荷分析表明,电子给受体复合物的S₀→S₁跃迁导致一个电子从电子给体转移到受体.结合非平衡溶剂化处理和自洽反应场方法研究了溶剂分子与复合物间形成氢键时的电荷转移吸收光谱.计算表明氢键作用导致复合物的电荷转移吸收光谱蓝移.     

含酪氨酸和色氨酸的肽内电子转移的溶剂重组能计算

基于连续介质模型，本文考察了多肽体系Trp-(Pro)n-Tyr (n=1,2) 从酪氨酸到色氨酸的分子内电子转移，并根据电荷定域的反应物和产物构型和线性反应坐标近似构造了电子转移的双势阱，通过势能曲线的交叉点确定了电子转移过渡态。本文重点讨论了电子转移溶剂重组能。根据作者的非平衡溶剂化理论和可极化连续介质模型编写了溶剂重组能计算程序并用于本文体系的计算。计算得到Trp-Pro-Tyr 和Trp-(Pro)2-Tyr.体系的溶剂重组能分别为20.89 kcal/mol和25.30 kcal/mol.     

4-硝基-1,3-丁二烯基胺分子的氢键效应

在从头计算的水平上, 利用杂化密度泛函理论研究了溶剂对4-硝基-1,3-丁二烯基胺分子的几何结构、分子内的电荷分布和电荷转移态的能量漂移的影响. 在四种极性溶剂中, 我们构造了包括氢键作用的超分子结构. 分别研究了由极化连续模型模拟的溶剂和溶质分子的长程相互作用, 溶剂和溶质分子的氢键作用, 以及溶剂和溶质分子的整体作用对分子结构和性质的影响. 研究结果表明氢键作用引起了溶质分子结构和性质的较大变化, 从而将明显地影响该类分子的非线性光学性质. 因此, 在模拟溶剂效应时需要考虑氢键作用.     

邻位甲基红水溶液的光谱性质随pH值的变化：含时密度泛函理论计算与实验研究

探明影响甲基红光谱性质的各种因素,有助于拓宽偶氮苯衍生物在有机光电器件中的应用。采用密度泛函理论和实验相结合的方法研究了溶液酸碱性和溶剂水对邻位甲基红水溶液光谱的影响。溶液pH从13.1逐渐降低至0.5,邻位甲基红水溶液的最大吸收波长从430 nm红移至520 nm。在不同酸碱条件下,主要有三种物种共存于甲基红水溶液中,它们分别是双质子化的甲基红o-H₂MR⁺ (强酸性条件下),单质子化的甲基红o-HMR (弱酸条件下)和碱性甲基红o-MR^- (碱性条件下),通过密度泛函理论计算研究了三种不同形式的电子结构特征。采用含时密度泛函理论计算了甲基红偶极跃迁允许的最低激发能,分别采用连续介质模型和分子簇模型研究水溶剂对甲基红电子结构和光谱性质的影响。在酸性条件下,o-H₂MR⁺和o-HMR分子内氢键导致π共轭体系平面性增强,因而光谱红移。而在碱性条件下,溶剂对o-MR^-的光谱有显著影响：极性o-HMR和o-MR^-与水分子的偶极-偶极相互作用导致光谱进一步红移。     

基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法*

近些年,基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法受到了越来越多的关注,其中MM/PBSA就是最具代表性的方法.在MM/PBSA中,体系的焓变采用分子力学(MM)的方法计算得到;溶剂效应中极性部分对自由能的贡献通过解Poisson-Boltzmann(PB)方程的方法计算得到;溶液效应中非极性部分对自由能的贡献则通过分子表面积(SA)计算得到.本文结合我们科研组的工作,就近几年MM/PBSA方法的最新进展做了较为详细的阐述,同时对MM/PBSA的发展前景进行了展望.     

氮氧自由基的研究——Ⅷ.关于溶剂极性经验参数的讨论

作者测定了有机溶剂-水二元混合溶剂体系中2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TMPO)的ESRa_N 值.这类混合溶剂体系中 a_N-m 关系可归属有机二元混合溶剂体系的四种典型线型关系.比较了几种溶剂极性经验参数,说明各种经验极性参数-m 关系图的差异是特定模型反应中溶剂分子与溶质分子间相互作用不同的反映.对二元混合溶剂体系而言,a_N-E_T(30),a_N-Z 一般不具有线性关系,认为溶剂极性经验参数是溶剂(包括溶剂混合物)对模型化合物溶剂化能力的标度,给出了在各种溶剂体系中的 a_N 测定值,作为溶剂对中性偶极分子相对溶剂化能力的经验标度.     

单原子离子溶剂化的研究 Ⅱ. 离子溶剂化吉布斯自由能的理论计算

本文采用单层结构模型的思想, 吸取Born模型的优点, 提出一种新的处理离子与第一溶剂化层溶剂分子间相互作用的方法。所得到的离子溶剂化吉布斯自由能的计算公式考虑了离子-溶剂相互作用能、离子内能和溶剂分子间相互作用能的贡献。对水、DMF和PC中各种类型的离子的计算与实验值符合得比较好。     

N2,O2水溶液光谱的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究了N2和O2水溶液的光谱性质．给出了能描述分子内部运动的溶质－溶剂相互作用势．对溶质和溶剂原子的速度自相关函数（VACF）作了计算．讨论了所得VACF的性质并计算了其谱密度．溶质分子振动谱出现的红移，与液态N2，O2的Raman实验结果相吻合．模拟得出的转动谱表明了溶剂分子对溶质转动运动的阻滞，模拟结果也表明VACF计算对溶液和液体光谱的研究十分有效．