硝酸甲酯分子间相互作用的DFT和ab initio比较

用密度泛函理论(DFT)和从头算(ab initio)方法,分别在B3LYP/6 31G和HF/6 31G水平上求得硝酸甲酯三种二聚体的全优化几何构型和电子结构,并用6 311G和6 311＋＋G基组进行总能量计算.对HF/6 31G计算结果进行MP4SDTQ电子相关校正.在各基组下均进行基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正求得结合能.对6 31G优化构型作振动分析并基于统计热力学求得200～600 K温度下单体和二聚体的热力学性质.详细比较两种方法的相应计算结果,发现DFT求得的分子间距离较短,分子内键长较长,所得结合能均小于相应ab initio计算值.     

气相中O3与HSO自由基间的氢键复合物

气相中O3与HSO自由基之间的相互作用及其反应在大气化学中非常重要. 在DFT-B3LYP/6-311++G**和MP2/6-311++G**水平上求得O3+HSO复合物势能面上的稳定构型, B3LYP方法得到了三种构型(复合物I, II和III), 而MP2方法只能得到一种构型(复合物II). 在复合物I和III中, HSO单元中的1H原子作为质子供体, 与O3分子中的端基O原子作为质子受体相互作用, 形成红移氢键复合物; 而在复合物II中, 虽与复合物I和III中具有相同的质子供体和质子受体, 却形成了蓝移氢键复合物. B3LYP/6-311++G**水平上计算的单体间相互作用能的计算考虑了基组重叠误差(BSSE)和零点振动能(ZPVE)校正, 其值在-3.37到-4.55 kJ·mol-1之间. 采用自然键轨道理论(NBO)对单体间相互作用的本质进行了考查, 并通过分子中原子理论(AIM)分析了三种复合物中氢键的电子密度拓扑性质.     

硝酸乙酯分子间相互作用的ab initio研究

在abinitio-HF/6-31G水平上求得硝酸乙酯二聚体势能面上的四种优化构型和电子结构。经MP2电子相关校正和基组叠加误差(BSSE)以及零点能(ZPE)校正，求得二聚体的最大结合能为11.46kJ.mol^-^1，还进行HF/6-311G和HF/6-311++G水平的总能量比较计算，发现6-31G基组对计算结合能比较适合，二子体系间的电荷转移很少，对优化构型进行振动分析，并基于统计热力学求得从单体形成二聚体的热力学性质变化。     

吲哚分子振动光谱的密度泛函理论研究

用多种密度泛函理论(DFT)方法(BLYP/6-31G^*^*,B3LYP/6-31G^*^*,B3PW91/6-31G^*^*和SVWN/6-31G^*^*)对吲哚分子的平衡几何构型进行了优化。在优化构型的基础上计算了吲哚分子的谐力场、振动基频和红外光谱强度。计算得到的振动频率与实验值比较平均偏差对四种计算方法(BLYP/6-31G^*^*,P3LYP/6-31G^*^*,B3PW91/6-31G^*^*和SVWN/6-31G^*^*)分别为16.3,40.5,45.1和26.4cm^-^1。BLYP/6-31G^*^*理论力场被用于吲哚分子的简正坐标分析计算中。根据振动率的势能分布(PEDs)对此分子的振动基频进行了理论归属。     

含四硫富瓦烯Schiff碱配体和配合物二阶非线性光学性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP(UB3LYP)/6-31g*方法对含四硫富瓦烯Schiff碱配体和它的Fe(III/II),Co(II),Ni(III/II),Cu(II)配合物的极化率和二阶非线性光学(NLO)性质进行了研究,并对其中闭壳层分子采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了电子光谱.结果表明:含四硫富瓦烯Schiff碱配体本身具有较大的二阶NLO系数,二价金属配合物二阶NLO系数与配体接近,三价金属配合物二阶NLO系数约为配体的30倍.金属配合物不同自旋多重度时其二阶NLO系数相差不大.结合配体和配合物的前线分子轨道分析可知,配体和二价金属配合物的二阶NLO系数主要是配体内的电荷转移(ILCT)的贡献,三价金属配合物既有ILCT又有金属与配体间电荷转移(MLCT),同时前线分子轨道能级差显著减小,因此它们的二阶NLO系数显著增大.     

双环-HMX结构和性质的理论研究

在DFT-B3LYP/6-311G*水平上, 计算研究了高能化合物四硝基四氮杂双环辛烷(双环-HMX) α和β两种异构体的结构和性质. 比较分子对称性、分子内氢键和环张力等几何参数以及分子总能量和前线轨道能级等电子结构参数, 发现α比β稳定. 分子中N—N键较长, N—N键集居数较小, 预示该键为热解和起爆的引发键. 基于简谐振动分析求得IR谱频率和强度. 运用统计热力学方法求得200～1000 K温度的热力学性质. 以非限制性半经验PM3方法探讨其热解机理, 求得各反应通道的过渡态和活化能, 发现热解始于侧链N—NO₂键的均裂. 还从理论上预测了该化合物的密度、爆速和爆压, 有助于寻求高能量密度材料(HEDM).     

H-ZSM-5催化环己酮肟制ε-己内酰胺反应机理的ONIOM研究

采用ONIOM和DFT方法研究了H-ZSM-5分子筛催化环己酮肟制ε-己内酰胺的贝克曼重排反应机理.所有的构型优化使用ONIOM(B3LYP/6-31+G(d):PM3)方法进行,并在此基础上对得到的最优构型应用多种密度泛度方法,如B3LYP/6-31+G(d),PBE/6-31+G(d),M062X/6-31+G(d)和ωB97XD/6-31+G(d)进行完整46T簇模型的单点能计算.B3LYP,PBE和M062X泛函使用dftd3程序计算了额外色散校正,以考虑分子筛内部的弱相互作用.计算结果显示,经色散校正的DFT方法的计算精度被大大提高,达到一个与MP2方法相媲美的精度.反应的决速步是由第一步1,2-H转移和重排步共同决定,内部反应能垒为44.5 kcal/mol.反应速率常数表明,在293~393 K时,在H-ZSM-5上贝克曼重排反应进行得相当缓慢;当温度达到423 K时,正逆反应速率相当,反应开始发生;当达到623 K时,反应速率常数为130 1/s.     

2,3,7,8-四氯苯并二英分子结构与热力学性质的理论研究

用密度泛函理论(DFT)和从头算(ab initio)方法,在B3LYP/6-31G、 B3LYP/6-31G*、 B3LYP/6-311G*和MP2/6-31G*水平上全优化计算了2,3,7,8-四氯苯并二英(2,3,7,8-TCDD)的几何构型、电子结构和振动频率,并用校正后的频率计算了298～1500 K的标准热力学函数,同时用半经验的PM3 SCF-MO进行了同样的计算,计算结果与实验值及文献值较好地吻合.     

3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷结构与性能的量子化学研究

设计了一种新型高能量密度化合物--3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷, 应用密度泛函理论(DFT)的B3LYP 方法在6-31G(d,p)基组水平上对该化合物进行了结构全优化, 并计算得到其红外(IR)光谱; 通过键级分析获得热解引发键的位置为N7-N22, 同时求得校正后的键离解能为91.47 kJ/mol. 采用Monte-Carlo方法预测该化合物的理论密度为2.16 g/cm³; 基于理论密度并结合等键反应及Kamlet-Jacobs公式预测了生成焓、爆速、爆压和爆热值分别为1219.94 kJ/mol, 10.43 km/s, 53.44 GPa和7407.84 J/g. 以上性能参数显示, 该目标化合物达到了高能量密度化合物的基本要求, 是一种潜在的含能材料. 同时给出了该化合物的逆合成路线.     

环四甲撑四硝胺(HMX)结构和性质的DFT研究

用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,取6-31G基组,求得环四甲撑四硝胺分子的几何构型、电子结构、 IR谱和298～1200 K的热力学性质.全优化几何构型和电子结构均具有Ci对称性.在相邻原子之间以N-NO2键的Mulliken集居数最小,表明其间电子分布较少,预示其为热解和起爆的引发键.IR谱与实验结果良好相符.     

3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪二聚体分子间相互作用的理论研究

在DFT-B3LYP/6-31G(d)水平下,求得3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪二聚体势能面上3种优化几何构型和电子结构。经基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正,求得分子间最大相互作用能为-38.88kJ/mol。电荷分布与转移分析表明,二子体系间的电荷转移很少,但接触点上氮原子和氢原子电荷变化比较大。由自然键轨道(NBO)分析揭示了分子间相互作用的本质。对优化构型进行振动分析,并基于统计热力学求得200.0~800.0 K温度范围从单体形成二聚体的热力学性质变化,发现二聚主要由强氢键所贡献,二聚过程在较低温度或常温下能自发进行。     

N-甲硝胺二聚体分子间相互作用的理论研究

用ab initio方法，在HF／6－31G水平下求得N－甲硝胺二聚体势能面上3种优化构型，经MP4和MP2校正电子相关能及校正基组叠加误差（BSSE），求得分子间最大相互作用能为－18．81kJ.mol^-1，甲基内旋转对相互作用能影响较大，在标准状态下，由单体形成最稳定二聚体的自由能变化为10．02kJ.mol^-1，同时还讨论了温度对过程的影响。     

从渐近修正Kohn-Sham轨道计算电子相关化的分子间作用能项

对称性匹配微扰理论(symmetry-adapted perturbation theory, SAPT)能把总作用能分解成有物理意义的各作用能项, 是了解分子间力的基本手段. 本工作的开展是因为目前标准SAPT方法无法计算含能大体系的作用能项. 对于大体系而言, 基于Kohn-Sham轨道的SAPT(SAPT(DFT))具有高的计算效能, 但对作用能项的计算效果却不佳. SAPT(DFT)的缺陷产生于常用交换-关联势的错误渐近特性. 为了消除这些缺陷, 借助于van Leeuwen 和 Baerends(LB)模型势及Fermi-Amaldi (FA)类型势, 把两种渐近修正技术应用于三个供测试的二聚体小体系(He₂, HF₂和(N₂)₂)和一组处于不同分子间距的硝酰胺二聚体体系. 结果显示: 当使用新近发展的依频密度极化率(frequency-dependent density susceptibilities, FDDS)技术用于计算色散能时, FA渐近校正方案非常有效地克服了SAPT(DFT)中的缺陷, 并比LB校正具有更好的精度. 经FA校正的SAPT(DFT)方法能够正确地定量预测所有测试系统结合能的趋势, 并且与标准的SAPT相比, 大大减少了计算代价. 这个方法成功应用于硝酰胺二聚体表明: 此方法在精确计算更大的体系, 如含能体系的分子间力方面很有潜力.     

氮苄叉基苯胺分子的平面扭曲驱动力的DFT研究

为了探索DFT方法中氮苄叉基苯胺分子的扭曲驱动力, 通过把非平面氮苄叉基苯胺(NBA)分子的DFT能量分成π和σ的方法, 分析了垂直离域能ΔE^V(θ)及σ-π轨道作用能ΔE^σπ(θ)的失稳定性, 并讨论了在扭曲过程中它们所起的作用. 在B3LYP/6-31G*, 6-311G*, 6-31G(2d), 6-311G(2d)水平下的计算结果显示: 与经典观点不同, π电子的离域是失稳定的, 且平面时失稳定性最强, 是分子扭曲的动力; 但σ-π轨道作用也是失稳定的, 随着扭角的增大其失稳定性增强, 是分子扭曲的阻力. NBA分子的大扭角构象, 是包含π-π, σ-π轨道作用在内的各种电子相互作用共同作用的结果.     

间位取代卟啉及其锌卟啉的电子吸收光谱

取代的卟啉类衍生物在气敏传感器方面具有广泛的应用前景.本文采用了密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)研究了四种不同取代基的卟啉衍生物(meso位四硝基苯基/四氨基苯基卟啉(NO2PP,NH2PP)及其相应的锌金属卟啉衍生物(NO2ZnPP,NH2ZnPP))的紫外和近紫外光谱特征.利用两种不同的交换相关泛函(广义梯度近似泛函(PBE)和杂化密度泛函(B3LYP))优化了上述四种物质的结构,并应用TD-DFT计算了相应的电子激发能量和振动强度.结果表明,取代卟啉的吸收光谱与大量的电子跃迁有关;与B3LYP泛函预测的光谱相比,PBE泛函所得B带以及Q带的波长位置与实验值更为接近.另外,计算所得硝基取代基卟啉的B带相对于氨基取代基卟啉的B带发生了红移,这与实验现象也保持一致.由于卟啉衍生物的三重激发态在电子转移中有很重要的应用,因此在PBE/6-31G(d)水平上计算了四种物质的最低三重激发态能量,分别为1.426、1.469、1.608和1.581eV.     

双环金属铱(Ⅲ)异腈配合物的二阶非线性光学性质

采用密度泛函理论(DFT)方法对双环金属Ir(III)异腈配合物的非线性光学(NLO)性质进行计算研究。用B3PW91(UB3PW91)(金属原子采用LANL2DZ基组,非金属原子采用6-31G*基组)方法对配合物进行几何结构优化。在优化构型基础上,采用B3PW91(UB3PW91)和B3LYP(UB3LYP)方法计算了配合物的第一超极化率(βtot),并用CAM-B3LYP(UCAM-B3LYP)(金属原子采用LANL2DZ基组,非金属原子采用6-31G**基组)方法模拟配合物的吸收光谱。结果表明,主配体的取代基(R1)和副配体的取代基(R2)对第一超极化率值贡献不大。配合物发生氧化还原反应,电荷转移方式增多,电荷转移程度增大,使βtot值显著增加,其中1a+([(C∧N)2Ir(CNR)2]+(R=CH3))发生氧化反应和还原反应的βtot值分别增大了75倍和144倍。因此,这类双环金属铱(III)异腈配合物的氧化还原反应可以有效地调节其二阶NLO性质。     

苯并氧化呋咱稳定性和异构化的DFT和ab initio研究

运用B3LYP/6-31G(d)密度泛函理论（DFT）方法对苯并氧化呋咱、邻二亚硝基苯及其间的异构化反应进行了计算研究。结果表明,苯并氧化呋咱的分子总能量比邻二亚硝基苯的低;由苯并氧化呋咱异构为邻二亚硝基苯的正向反应活化能（Ea+=51.0kJ/mol）,与文献实测值（58.6kJ/mol）较接近,而其逆向反应活化能（Ea-=4.6kJ/mol）很小,从而揭示了苯并氧化呋咱比邻二亚硝基苯更稳定·此外,进行了HF/3-21G、HF/6-31G(d)和MP2/6-31G(d)//6-31G(d)水平下相应的计算,发现B3LYP-DFT的结果较abinitio为优。谐振动频率的B3LYP/6-31G(d)计算还支持了邻二亚硝基苯为苯并氧化呋咱“自-自”互变重排反应的中间体。     

三联吡啶铂(Ⅱ)配合物光谱性质的密度泛函研究

采用密度泛函理论方法(DFT),对三联吡啶铂(Ⅱ)配合物的结构与电子光谱进行了系统研究.筛选的PBE/LanL2DZ(6-311+G(d))—BMK/LanL2DZ(6-31+G(d))方法,计算结果能较好地与实验值吻合:对光谱峰波长的计算,吸收光谱和发射光谱平均误差分别为14 nm和17 nm.通过对前线分子轨道的分析,归属了各光谱峰的跃迁类型.计算结果表明,不同推拉电子效应的取代基对配合物光谱峰的位置和跃迁类型具有较大影响,为已有的实验结论提供了有力的理论阐述.     

DFT能量分解和氮苄叉基苯胺分子π电子离域能的研究

为了探索密度泛函理论(DFT)方法中氮苄叉基苯胺分子π电子离域的本质, 介绍了将非平面分子氮苄叉基苯胺分子的DFT能量分成π和σ的方法, 并将π和σ电子能量分成单电子能部分: 动能ΔEπK(θ), ΔEσK(θ)和位能ΔEπP(θ), ΔEσP(θ); 双电子相互作用部分: 库仑作用ΔEππJ(θ), ΔEσσJ(θ), ΔEπσJ(θ)和交换相关作用ΔEππXC(θ), ΔEσσXC(Δ)以及ΔEπσXC(θ), 分析了垂直离域能ΔEV的稳定性及π电子离域对π和σ体系的影响. 在B3LYP/6-31G*, 6-311G*, 6-31G(2d), 6-311G(2d)水平下的计算结果表明, 与经典观点不同, π电子的离域是失稳定的, 且平面时失稳定性最强; 分析各个能量分量表明, 在π电子的离域过程中, π和σ体系均对基组较敏感, π体系本身单电子能的影响大于σ体系, π电子离域对双电子部分作用的影响主要体现在π-σ的耦合作用上.     

4-羟基苯甲酰肼的红外光谱研究

基于密度泛函理论(Density functional theory,DFT)B3LYP/6-311+G(d,p)及二级微扰理论(Second-order Mller-Plesset,MP2)MP2/6-311+G(d,p)对4-羟基苯甲酰肼分子进行了构型优化,得到了该分子的稳定几何构型,在此基础上对其频率进行了计算和指认,与4-羟基苯甲酰肼的实验谱图比较分析发现,真空分子的羟基、胺基及CH的特征振动频率与实验值相差较大。因此在单晶数据的基础上,增加一个氨气分子,模拟相邻分子对该分子的影响,MP2的计算结果表明,羟基的振动频率与实验值吻合很好,说明相邻分子之间的相互作用不能忽略以及MP2理论在解释该类分子的振动光谱方面具有较高的可靠性。