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.     

N-苄叉基-1-氨基-萘及其类似物的构象与分子扭曲的共轭 驱动力

确定了N-[(4-二甲基氨基)-苄叉基]-2-氨基苯并咪唑(1)，N-[(4-二甲基氨基)-苄叉基]-2-氨基苯并噻唑(2)和N-苄叉基-1-氨基-萘(3)的晶体结构。利用AM1，RHF，DFT方法和STO-3G,4-31G,6-311G及6-311G基组，优化每个分子的23个扭曲构象(θ=0°～-89°)。尽管不同方法得到的最优构象的扭角不同，分子扭曲的驱动力总是起因于电子作用，在任一分子、任何电子态中，离域的π体系总是失稳定的，全平面构象不是π体系最稳定的构象。π电子的离域是分子扭曲的驱动力之一，与经典观点相反，非键原子间的核排斥作用是分子扭曲的阻力，而不是动力。     

氮苄叉基苯胺及其衍生物的构象

为了探索氮苄叉基苯胺及其衍生物产生大扭角构象的根本原因,对21个分子分别在HF/6-311G^**和B3LYP/6-311G^**水平下进行了全优化和近似的势能面扫描.结果显示,分子扭曲的驱动力源于分子内的电子相互作用,片段间的核排斥作用是分子扭曲的阻力.经B3LYP/6-311G^**势能面扫描后,分别用HF,BLYP,BVWN,B3LYP和MP2法在不同的基组下对各旋转构象再作单点能运算.在简单的NBA分子中,STO-3G可以足够精确地描述分子扭曲的驱动力,但是它不能很好地描述分子内的氢键效应.     

N-苄叉基-2-氨基噻唑及其类似物的构象和分子内的扭曲驱动力

确定了N-苄叉基-2-氨基噻唑(2a)和N-对硝基苄叉基-2-氨基噻唑(2b)的晶体结构.结合已报道的N-对硝基苄叉基-2-氨基嘧啶(1a),N-对硝基苄叉基-2-氨基吡啶(1b)和N-苄叉基-3-氨基吡啶(2c)的晶体结构,利用AM1,RHF,DFT方法和6-311G,6-311G^**基组,优化每个分子的22个旋转构象(θ=0°～90°).由DFT法所得到的最优构象的扭角θ(1a,22°;1b,0°;1c,42°;2a、2b:0°)与实验值(1a,26°;1b,20°;1c,46°;2a,8.8°;2b,3.8°)最接近.尽管分子最优构象扭角的差异很大,但总电子能最稳定的构象都在θ=±42°附近.在任一分子、任何电子态中,离域的π体系总是失稳定的,全平面构象不是π体系最稳定的构象.无论是离域的还是定域的π体系,它们均倾向于扭曲的几何构象.π电子的离域是分子扭曲的驱动力之一.与经典观点相反,非键原子间的核排斥作用是分子扭曲的阻力,而不是动力.     

硝基芳烃对梨形四膜虫毒性的QSAR研究

用30种硝基芳烃化合物DFT-B3LYP/6-311G**全优化计算结构参数: 最高占有和最低未占分子轨道能级(E_HOMO和E_LUMO)、次最高占有和次最低未占分子轨道能级(E_NHOMO和E_NLUMO)、前线轨道能级差(ΔE＝E_LUMO－E_HOMO)、分子的总能量(E_T)、硝基和硝基碳上净电荷(Q_NO2和Q_C-NO2)、与卤素相连碳原子上的净电荷(Q_C-X)、分子偶极矩(μ)和分子体积(V), 结合文献中的疏水性参数(log K_ow), 按取代基类型和数目分类进行其对梨形四膜虫急性毒性(－log IC₅₀)的定量构效关系(QSARs)研究. 结果表明, 前线轨道能级对硝基芳烃毒性作用有重要贡献, 硝基芳烃对梨形四膜虫的毒性作用主要以与生物分子发生电子转移等化学反应为主, 单硝基芳烃的毒性作用还与疏水性有关. 卤素的存在增加了硝基芳烃化合物的毒性, 卤素易被亲核取代. 对30种标题物作多元线性回归, 所得模型(－log IC₅₀＝18.037＋10.446Q_NO2－41.323ΔE－20.471E_NLUMO＋24.989E_NHOMO, n＝30, R＝0.962, SE＝0.185, F＝78.640, Sig.＝0.000)具有较高毒性预测作用.     

g-CN体系的准粒子能带结构和光学特性

利用多体格林函数理论,本文研究了二维CN体系(包括triazine和tri-s-triazine)的激发态特性。通过GW方法,我们计算了准粒子的能量。考虑电子-空穴相互作用,通过求解Bethe-Salpeter方程,我们获得了激发态能量和光谱。我们发现,在这两种CN体系的价带中,σ轨道和π轨道之间的交换作用非常强烈。由于占据的σ轨道和π轨道之间的准粒子修正量非常不同,因此,为了得到准确的带隙值和光谱,我们需要对这两种轨道开展精确的GW计算。与单层的CN体系相比,双层结构中层与层之间的范德华相互作用使带隙值降低了0.6 eV,而光吸收谱红移了0.2 eV,这是由于双层结构具有更小的激子束缚能。我们计算的吸收峰的位置与实验结果符合很好。实验中的吸收峰主要是由深能级的π轨道到π^*轨道的跃迁形成的。π→π^*跃迁和σ→π^*跃迁之间的耦合能够在长波长范围产生弱的吸收尾巴,如果调整入射光的极化方向,由σ→π^*跃迁产生的高强度的吸收峰将会在更低能量处出现。     

硝基芳烃对圆腹雅罗鱼毒性的DFT研究

对30种硝基芳烃化合物进行DFT-B3LYP/6-311G**水平全优化计算, 据所得量子化学参数分类建立了硝基苯类和硝基苯胺类化合物对圆腹雅罗鱼急性毒性(－lgEC₅₀)的定量构效关系(QSARs)模型. 结果表明, 硝基苯类化合物的毒性主要由硝基基团的电荷(Q_-NO2)和前线轨道能级差(ΔE)决定; 硝基苯胺类化合物的毒性则由分子最低未占轨道能级(E_LUMO)和ΔE决定. 苯环上取代基的类型、数目和取代位置直接影响到标题化合物的毒性大小, 强吸电子基如硝基会降低Q_-NO2和E_LUMO大小, 使化合物毒性增强, 且邻对位硝基取代的毒性高于间位取代; 相反, 给电子基团氨基的存在则会使化合物的毒性降低. 总之, 硝基是这两类化合物致毒的主要基团, 将硝基包覆或还原为氨基应为此类化合物解毒的重要途径. 最后以1,4-二硝基苯为例, 模拟了其活性亚硝基中间产物与蛋白质中还原性巯基间的反应, 并将其与硝基苯和1,3-硝基苯的反应活化能进行了比较, 讨论了不同取代基数目和位置对分子活性的影响, 结果与QSAR模型分析一致, 进一步验证了硝基芳烃化合物的致毒历程, 研究结果对品优高能炸药的分子设计也有助益.     

三苯基均三嗪基团调控敏化染料光电性能的理论研究

为了探究更高效率的敏化染料, 将三苯基均三嗪基团引入供体-受体-共轭π桥-受体(D-A-π-A)型WS-4(HB)敏化剂中, 设计了7种新型染料分子, 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法优化了新型敏化剂的几何构型, 分析了分子的基态结构、 前线轨道能级、 吸收光谱、 激发能及分子内电荷转移等相关性质. 结果表明, 三苯基均三嗪可以有效改善以三苯胺为电子给体的染料性能, 其中在三苯基均三嗪上双侧连接三苯胺给体的染料HBL2表现出更低的能隙和光捕捉效率. 利用Multiwfn对染料HBL2电子转移情况进行分析, 结果表明, 三苯基均三嗪不仅可起到电子推拉作用, 还在一定程度上起到供体的作用, 对分子内电荷转移起到促进作用.     

有机化学基本理论问题新的研究方法、新的观念和新 的思维模式

有机化学基本理论研究的总结和回顾。15年来,在国家自然科学基金委员会的支持下,为了认识电子离域的本质,在量子化学领域,我们建立和发展了新的作用能分解方法和大型计算程序,发展和完善了轨道定域化程序。我们的方法可以为任何一个共轭分子(无论是平面的还是非平面的,是含共轭双键的还是含累积双键的),提供一个π与σ体系彻底分离的片断分子轨道基组。这个轨道基组不仅满足分子特殊的对称性,而且还具有确切的电子占据数。与Hückel理论完全不同,我们强调：π电子的离域除了对它原先的定域π体系有强烈的失稳定作用外,它还可通过π-σ空间作用,对σ构架产生强烈的稳定作用。据此,我们提出了芳环化合物新的分类准则,揭示了芳香环流起因的必要条件,定义环的刚度为芳香性一个新判据。发现,分子内基团间的局部作用(CT和EX)同它们对分子整体性能的影响是完全相反的。就构象而言,稳定的CT作用是相斥的,失稳定的EX作用是相吸的;就电子转移而言,大的EX作用是电荷转移的助动力。其助动性在于,它能降低因CT作用而产生的给体自身对电荷转移的阻力。论证了,在二苯乙烯类分子中,π-π共轭,π-σ超共轭和σ-σ非键轨道作用都是失稳定的。与σ-σ和π-σ作用相比,π-π作用对于分子构像的影响是非常微弱的。与经典的思维模式相反,有机分子总是倾向于较小的失稳定,而不是较大的稳定。为了维持尽可能最稳定的电子总能量,在σ-σ作用的驱动下,共轭基团应该尽量地偏离共平面。阻止分子扭曲的(非电子作用力)是核排斥力。因此,一个空间拥挤的构象可以是能量有利的构象。在我们的研究中,经典有机结构理论的整体因果关系已经全面地被颠倒。     

喹吖啶酮光物理性质的理论表征

运用密度泛函理论对喹吖啶酮的光物理性质进行了研究. 结果表明, B3LYP/6-31G(d)//TD-B3LYP-PCM/6-311＋G(d)和CIS/6-31G(d)//TD-B3LYP-PCM/6-311＋G(d)方法能分别较好地描述喹吖啶酮的光吸收和光发射性质. 在吸收和发射的电子跃迁过程中, 主要是π-π*跃迁, 电荷在N和O之间的转移, 既包括单分子内的电荷跃迁, 也包括了通过氢键或π-π作用形成的二聚体的电荷跃迁. 溶剂对其光物理性质是有影响的, 这种影响是通过改变其前线轨道能来实现的, 受影响最大的是最高占据分子轨道(HOMO).     

Substituent Effect on N-Benzylideneanilines by DFT Energy Partition

To investigate the substituent effect on x-electron delocalization of the N-benzylideneaniline （NBA）, the vertical resonance energies △E^V（θ） of eleven substituted NBAs were separated into n and a parts at the B3LYP/6-311G（d） level of the Density Functional Theory （DFT）. When substituted with an electron-releasing group --OH, the calculated △E^V（θ） of NBA was increased, indicative of more resonance destabilization than the mother molecule. However, when substituted with an electron-withdrawing group -NO2, the calculated △E^V（θ） values indicated less resonance destabilization. The most destabilizing effect was observed especially when the -OH group located at the ortho-position of the aromatic ring in the fragment -N=CH-Ar. For most of the substituted NBA molecules, it was the destabilized a framework that determined the destabilizing feature of the vertical resonance energy, instead of the stabilized n system. When the -NO2 substituent at the para-position of the aromatic ring of the -N=CH-Ar group, the π system had the highest stabilizing effect while the σ framework exhibited the highest destabilizing effect. While the -NO2 substituent was at the para-position of the left aromatic ring （At-）, the NBA had the least vertical resonance energy value.     

PdYH分子的结构与势能函数

用密度泛函理论的B3LYP方法, 对钯和钇原子采用SDD收缩价基函数, 氢原子采用6-311＋＋G**全电子基函数, 对PdY和PdYH体系的结构进行优化. 计算表明: PdY分子的几何构型为C_∞v, 其基态为X²Σ^＋态, 键长R＝0.24168 nm, 离解能为D_e＝2.8261 eV, 谐振频率ω_e＝254.0656 cm^－1, 并拟合得到Murrell-Sorbie势能函数; PdYH分子最稳态为C_s构型, 电子组态为¹A', 平衡核间距R_PdY＝0.24281 nm, R_YH＝0.19824 nm, 键角∠PdYH＝116.7157°, 离解能D_e＝5.6146 eV, 基态简正振动频率: 对称伸缩振动频率ν₁ (a')＝348.2909 cm^－1, 弯曲振动频率ν₂ (a')＝243.3382 cm^－1, 反对称伸缩振动频率ν₃ (a')＝1442.2695 cm^－1. 由微观过程的可逆性原理分析了分子的可能离解极限. 并用多体项展式理论方法分别导出基态PdY和PdYH分子的势能函数, 其等值势能面图准确地再现了PdY和PdYH分子的结构特征和离解能, 由此讨论了Pd＋Y＋H分子反应的势能面静态特征.     

基态N2O－的势能函数研究

以6-311＋＋G(3df, 3pd)为基函数, 采用密度泛函理论的B3LYP方法对N₂O^－分子体系的结构进行了优化计算. 结果表明N₂O^－分子最稳态为C_s构型, 电子组态为²A', 平衡核间距R_N—N＝0.11873 nm, R_N—O＝0.13012 nm, 键角∠NNO＝133.94448°, 离解能D_e＝10.3857 eV, 基态简正振动频率: 弯曲振动频率ν₁＝656.7488 cm^－1, 对称伸缩振动频率ν₂＝998.1562 cm^－1, 反对称伸缩振动频率ν₃＝1684.3093 cm^－1. 并用多体展式理论方法推导出了基态N₂O^－分子的分析势能函数, 其等值势能图准确地再现了N₂O^－分子的结构特征和离解能.     

N-皮考林酰肼及其双核钯配合物的晶体结构和荧光性质

合成了配体N-皮考林酰肼(简写为Hphz)及其双核钯配合物[Pd₂(phz)₂Cl₂]. X射线衍射实验结果表明, 配体和配合物晶体均属于单斜晶系, 空间群分别为C 2/c和P 2₁/c, 分子式分别为C₆H₇N₃O和C₁₂H₁₂Cl₂N₆O₂Pd₂. 晶体学参数, Hphz, a＝1.9245(2) nm, b＝0.38927(2) nm, c＝1.8073(2) nm, b＝107.255(2)°, V＝1.2931(2) nm³, Z＝8, D_c＝1.409 Mg/m³, F(000)＝576, μ(Mo Kα)＝0.102 mm^－1, R＝0.0541, wR＝0.1762; [Pd₂(phz)₂Cl₂], a＝1.48274(9) nm, b＝1.44797(9) nm, c＝0.73951(5) nm, b＝92.719(3)°, V＝1.5860(2) nm³, Z＝4, D_c＝2.329 Mg/m³, F(000)＝1072, μ(Mo Kα)＝2.62 mm^－1, R＝0.0262, wR＝0.0555. 在配合物[Pd₂(phz)₂Cl₂]分子内, 两个钯(II)原子, 均呈畸变的N₃Cl平面正方形配位构型, 晶体内通过分子间氢键N—H…Cl 作用形成一维链状结构, 分子间吡啶环存在相互作用. 量子化学从头算方法计算结果表明, 分子内及分子间的金属钯之间也存在相互作用. 红外光谱表明, 配体在形成配合物后, ν(C＝O)和ν(C＝N)红移, ν(C—N)蓝移, 荧光光谱表明, 配合物金属对配体n-π*激发(310 nm)引起的发射峰有较大的影响.     

CH/π, CH/O弱氢键在2,6-二(α-苯基苄基)-1,5-萘二酚主体分子包结物构筑中的作用

设计、合成了一种新的主体分子2,6-二(α-苯基苄基)-1,5-萘二酚 (1). 它可与许多有机小分子形成配位包合物. 用IR和¹H NMR表征了配位包结物, 并测定了主客体分子的摩尔比: 1•DMF (1∶1), 1•DMSO (1∶2), 1•吡啶 (1∶1), 1•喹啉(1∶2), 1•N-甲基吡咯烷酮(1∶1). 用单晶X衍射分析了包结物 (1)•DMF的晶体结构, 属三斜晶系, 晶胞参数为P-1, a＝0.9085(9) nm, b＝0.9501(6) nm, c＝2.0995(6) nm, α＝99.59(3)°, β＝90.13(4)°, γ＝96.20(7)°, V＝1.776(2) nm³, D_c＝1.898 g•cm^－3. 结果表明, 主体分子间的CH/π弱氢键在决定主体分子的层状框架结构和客体分子在层间的填充方式中发挥了重要作用; 两种不等效的客体分子与主体分子的作用方式是不同的, 一种客体分子是通过CH/π, CH/O弱氢键与同层的不同主体分子相互作用, 另一种是通过CH/π, CH/O弱氢键与相邻层的不同主体分子相互作用.     

二维Co(nip)2(py)2(H2O)2配合物的水热合成, 晶体结构和热分解机理研究(nip＝5-硝基间苯二甲酸根, py＝吡啶)

用水热法以5-硝基间苯二甲酸和吡啶为配体合成并培养了Co(nip)₂(py)₂(H₂O)₂的单晶. 对单晶进行了X射线单晶衍射分析、元素分析、傅里叶变换红外光谱分析、差热分析和热重-微商热重分析. 该配合物晶体为单斜晶系, 属于P2(1)/c空间群. 晶胞参数为a＝1.1662(3) nm, b＝1.7734(4) nm, c＝0.6988(2) nm, β＝102.46(4)°, V＝1.4112(6) nm³, Z＝2, D_c＝1.585 Mg/m³, μ(Mo Kα)＝0.688 mm^－1. 所有晶体数据的R因子为: R₁＝0.1064, wR₂＝0.1270; 最终R因子[I＞2σ(I)]为: R₁＝0.0467, wR₂＝0.1008. X射线单晶衍射分析的结果表明, 依靠分子内氢键、分子间氢键、硝基氧之间的弱相互作用以及π-π堆积作用, 配合物分子被连成二维无限平面结构. 根据配合物的热分析结果, 配合物及热分析各阶段残渣的傅里叶变换红外光谱, 我们推测出了配合物的热分解机理.     

β-环糊精与水杨酸包合物的合成与结构

合成了β-环糊精与水杨酸的包合物b-cyclodextrin-salicylic acid (β-CD-sal) [(C₄₂H₇₀O₃₅)₂•(C₇H₆O₃)₂•(H₂O)₂₄], 用X射线单晶衍射、元素分析和核磁共振对其分子结构进行了表征. X射线单晶衍射结果表明: 包合物的晶体属于单斜晶系, 空间群为C₂, a＝1.9269(5) nm, b＝2.4395(7) nm, c＝1.6095(4) nm, β＝107.816(5)°, V＝7.203(3) nm³, Z＝4, D_c＝1.373 g•cm^－3, F(000)＝3176, R[I＞2σ(I)]＝0.0971. 在形成的2∶2包合物中, β-环糊精通过羟基间的氢键形成头对头的二聚体, 两个水杨酸分子以不同的形式与环糊精形成包合物, 其中一个水杨酸分子寄居于环糊精的空腔中, 而另一个水杨酸则位于由两个环糊精形成二聚体的空隙中.     

(H2teta)2{[Ni(teta)][Fe(CN)6]2}•17H2O (teta＝5,7,7,12,14,14-Hexa-methyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane)超分子化合物的合成、晶体结构和磁性质研究

将Ni(teta)(ClO₄)₂ (teta＝5,7,7,12,14,14-hexamethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane)的DMF溶液和K₃[Fe(CN)₆]的水溶液在填充了琼脂冻胶的U型管中通过扩散反应, 得到了标题化合物(H₂teta)₂{[Ni(teta)][Fe(CN)₆]₂}•17H₂O, 该化合物晶体属三斜晶系, 空间群P1, 晶胞参数为a＝0.9998(2) nm, b＝1.5514(3) nm, c＝1.6647(4) nm, α＝114.15(2)°, β＝100.91(2)°, γ＝93.42(2)°, V＝2.2863(10) nm³, z＝1, D_c＝1.196 g•cm^－3, F(000)＝890, μ＝5.84 cm^－1, GOF＝0.894, R₁＝0.0582, wR₂＝0.1446 [I＞2σ(I)]. 该化合物的基本单元由2个[H₂teta]^2＋阳离子、1个{[Ni(teta)][Fe(CN)₆]₂}^4－阴离子和17个水分子组成, 它们之间通过N—H…N氢键而形成具有二维平面结构的超分子化合物. 1.8～300 K变温磁化率研究表明, 化合物中三核体系Fe (s＝1/2)-Ni (s＝1)-Fe (s＝1/2)中心原子间通过氰基桥联而发生强的铁磁相互作用, 磁参数J＝4.33 cm^－1, g＝2.6, θ＝60 K. 通过TG-DTG测定了配合物的热稳定性.     

(S)-(+)-N-取代吡咯烷甲醇衍生物的合成及晶体结构

从L-α-脯氨酸出发,经过酯化、N-烷基化、与格氏试剂反应合成了6个未见文献报道的(S)-(+)-N-取代吡咯烷甲醇衍生物3a～3f,其结构经IR,1HNMR和元素分析测定确证.并用X射线单晶衍射法测定了化合物(S)-(+)-1-[N-(5-氯-2-噻唑甲基)-2-吡咯烷基]-1,1-二苯基甲醇(3e)的晶体结构.晶体为单斜晶系,空间群为P2(1),a=0.8737(14)nm,b=0.9098(14)nm,c=1.2180(17)nm,α=90.00°,β=92.55(3)°,γ=90.00°,V=0.9671(3)nm3,Z=2,Dc=1.3217g/cm3,F(000)=404,R=0.0584,wR=0.1335.     

[Gd2(Gly)6(H2O)4](ClO4)6(H2O)5的合成、晶体结构与热化学研究

利用微波技术合成了配合物[Gd₂(Gly)₆(H₂O)₄](ClO₄)₆(H₂O)₅, 进行了化学成分分析、红外表征和热重分析. 应用X衍射仪测定其晶体结构, 该晶体为一维链结构, 属三斜晶系, P 空间群, 晶胞参数: a＝1.1569(17) nm, b＝1.4138(2) nm, c＝1.5642(2) nm, α＝96.910(2)°, β＝102.735(2)°, γ＝105.512(2)°, V＝2.3606(6) nm³, Z＝2, D_c＝2.144 g•cm^－3. 采用精密溶解-反应量热计, 通过设计热化学循环, 计算出了该配合物的标准摩尔生成焓为 －(7960.73±3.23) kJ•mol^－1.