应用ABEEM/MM模型研究水分子团簇(H2O)n (n=11～16)的性质

应用ABEEM/MM 模型计算了较大的水分子团簇(H2O)n (n=11~16)的各种性质,如：优化的几何构型, 氢键个数, 结合能, 稳定性, ABEEM 电荷分布, 偶极矩, 以及结构参数、平均氢键个数和强度, 增加的团簇结合能等.结果表明,从立方体结构到笼状结构的过渡出现在n=12的水分子团簇中,随着类似于笼状结构特点的不断增强,五元环的富集程度有所增加.     

应用ABEEM/MM模型研究水分子团簇(H2O)n(n=7~10)的性质

应用ABEEM/MM模型计算了中等大小水分子团簇(H₂O)_n(n=7~10)的各种性质, 如: 优化的几何构型、氢键个数、结合能、稳定性、ABEEM电荷分布、偶极矩、结构参数的描述等, 并描述了六聚水区域中所反映的从二维结构(从二聚水到五聚水)到三维结构(n>6的水分子团簇)的过渡.     

NH4+( (H2O)n(n＝1～9)的量子化学和ABEEM/MM的理论研究

运用量子化学和ABEEM/MM浮动电荷分子力场, 构建描述铵离子-水体系相互作用的精密势能函数, 对 - (H₂O)_n (n＝1～9)簇合物的结构和稳定性等性质进行了研究. 对团簇的结合能和电荷布居分析发现, 当n≤4时, 随着水分子数目的增加, 与水分子间尽可能多地形成线型氢键, 直至水分子在 周围形成完整的第一水合层|当n≥5时, 簇合物以 为中心, 通过氢键网络形成的环状和笼状结构为最稳定. 与第一水合层水分子的相互作用强于水分子之间的相互作用. 结果表明, ABEEM/MM方法的结果与量子化学方法得到的结果有很好的一致性.     

精密从头算与ABEEM/MM模型对水团簇(H2O)11 9种低能结构的计算

用精密从头算方法研究了(H2O)11的9种低能异构体的性质, 包括优化的几何结构、结合能、偶极矩和氢键个数等, 并且得出了515-a是(H2O)11的全局最低能结构. 同时, 也用ABEEM/MM(atom bond electronegativity equalization method/molecular mechanics) 模型研究了这些性质, 与从头算的结果进行了比较, 得到了相符合的结果. 这显示了ABEEM/MM模型在描述中等大小的水分子团簇结构上是成功的.     

乙醇-水分子团簇C2H5OH(H2O)n (n=1-9)稳定结构的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法, 在B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对乙醇-水分子团簇(C₂H₅OH(H₂O)_n (n=1-9))的各种性质进行研究, 如: 优化的几何构型、结构参数、氢键、结合能、平均氢键强度、自然键轨道(NBO)电荷分布、团簇的生长规律等. 结果表明, 从二维(2-D)环状结构到三维(3-D)笼状结构的过渡出现在n=5的乙醇-水分子团簇中. 此外, 利用团簇结合能的二阶差分、形成能、能隙等性质, 发现在n=6时乙醇-水分子团簇的最低能量结构稳定性较好, 可能为幻数结构. 最后, 为了进一步探讨氢键本质, 将C₂H₅OH(H₂O)_n (n=2-9)最低能量结构的各种性质与纯水分子团簇(H₂O)_n (n=3-10)比较, 结果表明前者与后者中的水分子之间氢键相似.     

精密从头算与ABEEM／MM模型对水团簇（H2O）11 9种低能结构的计算

用精密从头算方法研究了(H2O)11的9种低能异构体的性质,包括优化的几何结构、结合能、偶极矩和氢键个数等,并且得出了515-a是(H2O)11的全局最低能结构.同时,也用ABEEM/MM(atom bond electronegativity equalization method/molecular mechanics)模型研究了这些性质,与从头算的结果进行了比较,得到了相符合的结果.这显示了ABEEM/MM模型在描述中等大小的水分子团簇结构上是成功的.     

水合氢离子团簇从头算和ABEEM/MM的理论研究

应用高水平的从头计算方法和ABEEM/MM模型, 研究了水合氢离子团簇H3O＋(H2O)n (n＝1～6), 优化得到了低能构象, 探讨了其结合能和稳定性, 显示出H3O＋(H2O)3局域结构的优势存在．对H3O＋(H2O)6VIa团簇的ABEEM电荷分布进行分析, 表明第一水合层水分子与水合氢离子之间的氢键相互作用要明显强于与第二水层水分子的氢键相互作用. 研究结果表明, ABEEM/MM方法计算的结果和从头算得到的结果存在很好的一致性.     

大气环境中的水分子团簇分布和H+(H2O)n(n=4～16)离子的解离

报道了用质谱学方法首次测得的大气中各种水的团簇分布情况.表明在室内大气环境下,水主要是以几个至几十个水分子所组成的分子团簇的形式存在,且团簇的分布与空气湿度,即水在空气中的分压有关.实验中,除观测到空气中也存在前人已报道过的具有笼状结构的H+(H2O)21外,还观测到其他几种较稳定结构的水的团簇,即H+(H2O)4,H+(H2O)10和H+(H2O)15.实验中所测得的水分子团簇分布结果与使用的离子源以及质量分析器种类无关.我们还用碰撞诱导解离(CID)的方法研究了H+(H2O)n(n=4～16)离子的碰撞解离产物,结果表明,对于H+(H2O)n(n=4～16)的离子,其较稳定的离子的碰撞解离产物均为H+(H2O)n(n=4～6).我们还进一步研究了H+(H2O)10离子的碰撞解离产物与碰撞气体(即Ar气)密度的关系,得到了碰撞气体密度与碰撞解离产物分布的关系.     

脂肪族氨基酸二肽与水团簇的理论研究

用ABEEMσπ/MM模型和MP2/6-31+G(d)//B3LYP/6-31G(d)方法研究水合效应对脂肪族氨基酸二肽的影响.从结构和能量两方面说明Leu残基在蛋白质中起成旋作用,Val和Ⅱe残基在蛋白质中起解旋作用.同时得出:水分子严重影响了二肽分子的骨架二面角;对于结合相同数目水分子的团簇倾向于形成含有环状氢键的结构,并且含有环状氢键团簇的结合能大于含有链状氢键团簇的结合能.     

单笼形水分子簇中心水分子对类型关系

随机产生单笼形水分子簇(H2O)n(n=8~36),经分类统计后发现,在笼形水分子簇中,其1221,1212,2121和2112四类氢键的个数与水分子和氢键总数之间有定量关系,且1212类氢键的个数与2121类的氢键始终相等.如果笼形水分子簇中某一类氢键数已知,则它的其余三类氢键的个数也随即确定.     

杂合型全局优化法优化水分子团簇结构

基于遗传算法、快速模拟退火及共轭梯度方法提出了一种快速的杂合型全局优化方法(fast hybrid global optimization algorithm, FHGOA),并将这一方法应用于TIP3P和TIPS2模型水分子团簇(H2O)n结构的优化.在进行TIP3P模型水分子团簇结构的优化过程中,发现了能量比文献值更低的团簇结构,且执行效率有较大提高.把该方法应用到优化TIPS2模型的水分子团簇,发现最优结构和采用TTM2-F模型优化的水分子团簇结构在n < 17时完全相同,为全表面结构;而在n=17、19、22时为单中心水分子笼状结构;在n=25、27时为双中心水分子笼状结构.说明随着团簇中水分子个数的增加,采用TIPS2和TTM2-F势能函数优化的团簇最优结构有相同的变化趋势.     

大气环境中的水分子团簇分布和H＋(H2O)n (n＝4～16)离子的解离

报道了用质谱学方法首次测得的大气中各种水的团簇分布情况. 表明在室内大气环境下, 水主要是以几个至几十个水分子所组成的分子团簇的形式存在, 且团簇的分布与空气湿度, 即水在空气中的分压有关. 实验中, 除观测到空气中也存在前人已报道过的具有笼状结构的H＋(H2O)21外, 还观测到其他几种较稳定结构的水的团簇, 即H＋(H2O)4, H＋(H2O)10和H＋(H2O)15. 实验中所测得的水分子团簇分布结果与使用的离子源以及质量分析器种类无关. 我们还用碰撞诱导解离(CID)的方法研究了H＋(H2O)n (n＝4～16)离子的碰撞解离产物, 结果表明, 对于H＋(H2O)n (n＝4～16)的离子, 其较稳定的离子的碰撞解离产物均为H＋(H2O)n (n＝4～6). 我们还进一步研究了H＋(H2O)10离子的碰撞解离产物与碰撞气体(即Ar气)密度的关系, 得到了碰撞气体密度与碰撞解离产物分布的关系.     

硅氧团簇(SiO2)nO2H4的密度泛函理论研究

提出硅氧团簇(SiO2)nO2H4的两种新构型: 基于笼状结构和环状结构的构型, 并与链状构型相比较, 用密度泛函理论的B3LYP方法在6-31G(d)基组水平上计算了三种构型n=2～22(n取偶数)的几何结构、平均结合能、能隙以及能量的二次差分. 分析计算结果发现, 笼状构型不但在n=4和8处存在幻数团簇(实验上已经观察到), 而且预测在n=14处也存在类似的幻数团簇; 此外, 与(SiO2)n团簇不同的是, (SiO2)nO2H4团簇的环状构型的稳定性从n=4开始大于链状构型, 意味着水的加成对硅氧团簇的稳定性有着重要的影响.     

水分子团簇分子力场方法的比较研究

采用传统水分子力场模型(SPC, TIPnP(n=3-5))和极化模型(POL3, AMOEBA, SPC-FQ, TIP4P-FQ)对水分子二聚体团簇性质进行了比较和研究. 以从头计算和实验数据为依据, 分析水分子在外场作用下体系的静电极化, 电荷转移和分子结构变化. 通过水分子二聚体结合能和各分解能量项评价极化静电势能在双分子结合能中的地位和作用, 以及各水分子力场的适用性. 通过水分子团簇多体相互作用能的计算,展示不同极化水分子力场定量计算极化能量的实际能力. 通过对力场模型结果的对比和分析, 为进一步发展极化力场模型, 并应用到其他体系提供借鉴和依据.     

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.     

Sr2+和Ba2+水分子体系结构和结合能的从头算和ABEEM/MM研究

应用从头算方法和ABEEM/MM浮动电荷分子力场, 研究了水合碱土离子团簇Sr²⁺/Ba²⁺(H₂O)_n (n=1-6), 构建了离子-水相互作用的ABEEM/MM势能函数, 获得了水合离子团簇的稳定结构, 计算了结合能. 计算结果表明, ABEEM/MM方法的结果和从头算方法的结果有很好的一致性. 进一步应用ABEEM/MM对Sr²⁺和Ba²⁺水溶液进行了分子动力学模拟. 对Sr²⁺水溶液, 得到的Sr²⁺-水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.257和0.464 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.2和11.4; 对Ba²⁺水溶液, 得到的Ba²⁺与水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.269和0.467 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.9和12.4. 这与实验值或其它理论模拟结果有较好的一致性. 对比外层的水分子, 金属离子的极化作用使得溶液中第一水合层中水分子的O―H键长增长, HOH键角减小.     

(BN)n团簇的结构和稳定性

用HF方法、密度泛函理论的B3LYP以及微扰理论的MP2方法，在6—31G(d)基组 水平上，对(BN)n(n=1-16)团簇的各种可能结构进行了优化．讨论了环状与笼状稳 定团簇的几何构型、自然键轨道(NBO）、振动频率、结合能、核独立化学位移 (NICS)和能量二次差分，得到了(BN)n(n＝1-16)团簇结构的稳定性信息．比较了 HF，B3LYP以及MP2三种理论方法对(BN)n团簇的适应性所表现出的差异．     

(BN)_n团簇的结构和稳定性

用HF方法、密度泛函理论的B3LYP以及微扰理论的MP2方法 ,在 6 3 1G(d)基组水平上 ,对 (BN) n(n =1～ 16)团簇的各种可能结构进行了优化 .讨论了环状与笼状稳定团簇的几何构型、自然键轨道 (NBO)、振动频率、结合能、核独立化学位移 (NICS)和能量二次差分 ,得到了 (BN) n(n =1～ 16)团簇结构的稳定性信息 .比较了HF ,B3LYP以及MP2三种理论方法对(BN) n 团簇的适应性所表现出的差异 .     

(SiO2)n团簇的基态能量和结构

应用遗传算法对二氧化硅团簇（SiO2）n（n≤20）的结构进行了优化计算。分析讨论了结构和结合能随团簇尺寸的变化规律,发现（SiO2）n团簇系列不存在明显的幻数,并在n≤20的范围内,不呈现出相应大块物质的结构特征,     

氟化氢团簇(HF)_n(n=2～8)拓扑性区别氢键构型的图论列举法和量子化学计算法研究

利用提出的图论程序列举出氟化氢团簇(HF)_n(n=2~8)所有可能存在的拓扑性区别氢键构型,通过精密调查获得有可能存在的拓扑性区别构型,发现了满足HF团簇稳定性的若干条件,在这些条件的基础上编写FORTRAN程序和Python语言执行程序,再用画图软件包Graph Viz2.37自动画出对应的有向图或条件性有向图.以对应的有向图作理论框架,分别利用从头算法Moller-Plesset(MP2)二级微扰方法和密度泛函理论(DFT)方法 B3LYP计算水平的6-31G**(d,p)基组对氟化氢团簇(HF)_n(n=3~7)所有拓扑性区别条件性有向图对应的初始结构进行结构优化并作振动频率分析,获得氟化氢团簇(HF)_n(n=2~7)的最稳定构型,发现了氟化氢团簇的五聚体(HF)_5、六聚体(HF)_6和七聚体(HF)_7等一些新的稳定结构.