二水合甘氨酸两性离子复合体的结构和性能的理论研究

采用理论计算方法B3LYP, 在6-31++G**基组水平研究使甘氨酸质子化所需的最少水分子数目, 然后讨论水合两性离子复合体的结构和性能, 进而计算了二水合甘氨酸中性分子复合体(2W-GN)到二水合甘氨酸两性离子复合体(2W-GZ)的过渡态, 得到如下结论: (1)两个水分子可以使甘氨酸质子化, 能够形成稳定的二水合两性离子复合体. (2)甘氨酸与水分子之间通过氢键相互作用, 结合能较大, 复合体稳定; 在二水合甘氨酸复合体中, 水合甘氨酸中性分子比水合甘氨酸两性离子稳定. (3)由2W-GN到2W-GZ过程的反应活化能和氢键键能相近.     

含水离子液体/金属界面结构的SERS研究

利用表面增强拉曼光谱(SERS)研究了不同含水量下离子液体及水分子在银电极上随电位变化吸附方式的改变,通过水的O-H伸缩振动谱峰频率变化特征,详细探究了水在离子液体/电极界面上的存在形式及作用方式以及体系零电荷电位与水含量的关系.水含量较低时O-H伸缩振动的Stark系数值较低,随水含量的增加O-H伸缩振动的谱峰位置逐渐向高波数方向移动,同时O-H伸缩振动的Stark系数也逐渐增大,1molL-1[BMIM]Br水溶液中达到76cm-1V-1,且体系的零电荷电位正移,这些差异与水在离子液体中所形成氢键的程度及水分子的存在形式密切相关,在水的含量较低时水与离子液体阳离子通过氢键作用而存在于界面层中,当水的含量增加时,水分子间氢键的作用增强,水与电极表面直接作用的可能性增大.     

吡啶离子液体阳离子的离子色谱法分析

建立了离子色谱-直接电导检测法分离测定3种吡啶离子液体阳离子(N-乙基吡啶、N-丁基吡啶和N-己基吡啶阳离子)的方法.采用磺酸型阳离子交换色谱柱,以乙二胺-柠檬酸-乙腈为淋洗液,考察了淋洗液种类和浓度以及色谱柱温度对离子液体阳离子保留的影响.实验发现,吡啶阳离子的保留过程是放热过程,其同系物的保留符合碳数规律.优化的色...     

烷基吡啶及氯化铝正负离子结构的密度泛函研究

采用量子化学密度泛函方法对N-烷基吡啶阳离子和阴离子AlCl4-,Al2Cl7-和Al3Cl10-进行了全优化计算,得到了阴阳离子的几何构型和净电荷分布.计算发现,吡啶环上的电子数符合4n 2规则,具有芳香性.吡啶阳离子的LUMO轨道主要由环上原子的2pz所贡献,是反键π分子轨道.AlCl4-,Al2Cl7-和Al3Cl10-的HOMO轨道主要由Cl原子的2px所贡献.推测吡啶阳离子的LUMO与阴离子的HOMO相互作用形成离子液体分子.     

水滑石限域空间中Cl-与H2O的超分子作用

构建水滑石(LDHs-Cl-yH2O)周期性计算模型, 选用密度泛函理论-赝势平面波法对模型进行几何全优化, 从结构参数、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)、能量等角度研究层间Cl-和水分子的分布形态以及与LDHs层板间的超分子作用. 计算结果表明, LDHs-Cl主客体间存在着较强的超分子作用, 主要包括静电和氢键作用. LDHs-Cl层间引入水分子后, 随着水分子数的增加, 层间距逐渐增大后趋于平衡. 水合过程中氢键作用比静电作用更占优势, layer-water型氢键要略强于anoin-water型氢键. 当y=1, 2时, Cl-与水分子所在平面以平行层板的方式存在于LDHs层板间, 并且与两层板的距离基本相等; 当y=3, 4时, Cl-与水分子则以偏向某一层的方式随机地存在于LDHs 层板间. 随着层间水分子增加, LDHs-Cl-yH2O由离子型晶体向分子型晶体转化, LDHs-Cl的水合具有饱和量.     

N-羧基吡啶功能化离子液体的表征

合成了系列新型N-羧基吡啶功能化离子液体, 利用1H NMR、13C NMR、IR、DSC对其进行表征并研究了其与常规溶剂的相溶性, 采用酸碱滴定法测量了系列离子液体的酸离解常数pKa值. N-羧基取代吡啶功能化离子液体的pKa值在2.5~4.0之间, 并随阳离子取代羧基碳链的增长而增大; 离子之间形成氢键及阴、阳离子的大小是影响离子液体熔点的主要因素. 阴离子越小, 熔点越高. 所合成的N-羧基吡啶功能化离子液体具有相同的相溶性且由取代羧基所决定, 与常见烷基咪唑离子液体相比, N-羧基吡啶功能化离子液体与丙酮、二氯甲烷并不相溶. 功能化离子液体的阳离子取代基是影响其物化性能的主要因素, 通过改变功能化基团碳链的长短及与不同阴离子进行组合, 可以对功能化离子液体物理、化学性能进行调节.     

离子对水溶液微观结构和动力学的影响

离子对水溶液结构和动力学性质的影响具有特异性,本文对此进行了一系列的分子模拟研究,发现一价单原子离子的溶解结构与阴离子-阳离子、离子-水和水-水之间的竞争作用有关,离子间成对趋势符合Collins规则,以水分子为桥的离子对结构是离子在水中溶解的重要方式,并具有不对称性.在Na SCN和KSCN极稀水溶液中,盐对水分子活动性影响体现为阴、阳离子效应的叠加,符合Hofmeister离子序和Jones-Dole黏度B系数的定量趋势,随着浓度增大,离子协同性和离子团簇的影响逐渐增强,浓溶液中普遍具有拖慢效应.水溶液中水分子转动与氢键交换相关,存在大角度跳跃转动和氢键对协同扩散转动两种方式,阴离子效应主要体现在对跳跃转动的影响,由阴离子与水分子间氢键强度决定,阳离子主要通过间接方式同时影响两种方式,影响程度与电荷密度有关.     

离子对水结构的影响

液态水中广泛存在的氢键网络使其作为一种结构性很强的液体在自然界中发挥着独一无二的作用。电解质溶于水中后,以水合离子形式存在,离子附近强大的电场使水合层中的偶极水分子发生重排,这些水分子的结构与本体水的结构存在差异。一个多世纪以来,科学家做了大量关于离子对水结构影响的研究。本文从静态谱学和溶剂动力学两方面综述了离子对水结构影响的研究进展,概括了水中氢键的研究情况,并就离子对水结构影响在生物化学方向的重大意义-Hofmeister效应作了解释。     

锂-, 钠-, 钾水化蒙脱石层间结构的分子动力学模拟

运用分子动力学(molecular dynamics, MD)方法分别研究了含有32, 64和96个水分子的Li-, Na-, K-蒙脱石层间阳离子与水分子的位置和结构. 计算结果表明蒙脱石层间阳离子位置与四面体和八面体电荷位置及离子的大小有关. 一层水合物中可以观察到三种阳离子都能和四面体电荷与八面体电荷位置分别形成内、外配位作用. 二层水合物中, 仍然可以观察到Li^＋和Na^＋与电荷位置的配位作用, 但是已经开始向层中其他方向扩散, 而K^＋仍然在粘土的表面附近. 三层水合物中, Li^＋, Na^＋开始从电荷位置和表面分离, K^＋也开始向层间其他方向扩散. 水分子在所有三种水合物中都分散于层间各个方向. 径向分布函数的分析结果表明层间三种阳离子组织水分子的能力不同, 水化作用随着阳离子半径的增大而减弱; 此外层中水分子的聚合程度随着水分子的增加而加强, 水分子的结构也不同于模拟的液体水分子的结构; 说明蒙脱石层间阳离子的溶剂化作用对水分子的组织起着重要的作用.     

N-烷基吡啶阳离子及其与若干阴离子形成的离子对结构的理论研究

采用密度泛函理论方法, 在B3LYP/6-31＋G(d) 水平上研究了吡啶、N-烷基吡啶阳离子及其与若干阴离子(F^－, Cl^－, Br^－, , )形成的离子对的稳定构型. 计算结果表明: N-烷基吡啶阳离子的吡啶环与中性吡啶分子类似, 具有芳香性, 烷基对吡啶环结构影响不大; 离子对中阴离子易出现在吡啶环上方以及C(5)—H 或C(2)—H 和 N-甲基附近; 阴、阳离子之间通常存在多重氢键, 并且均有部分电荷转移; 离子对的相互作用能随着N-烷基的增长而减小.     

水化锂蒙脱石层间结构和动力特征的分子模拟

利用分子力场和分子动力学(MD)的方法研究了Li-蒙脱石的结构构型, 层间阳离子的水化行为、水分子的结构特征以及它们的扩散性质. 分子力场构型优化结果表明: Li-蒙脱石的层间距、体积和密度与层间水含量有关; MD模拟的动画轨迹显示Li-蒙脱石层间Li^＋的位置与层间电荷位置有关. 均方根位移和自扩散系数的计算结果表明: 层间阳离子、水分子在Li-蒙脱石一、二层水合物中的扩散受到上下粘土片表面的限制, 在三层水合物中开始离开粘土层面向其它方向快速扩散. 径向分布函数及其结构因子的分析结果表明Li^＋在一、二、三层水合物中有不同的水合层; 层间水分子的结构特征说明其在蒙脱石层间有水合水分子和自由水分子之分, 且它们的比值在一、二和三层水合物中有所不同.     

[EPy][BF4]和[EPy][PF6]离子对的气相及液相阴阳离子相互作用研究

采用从头算HF/6-31G和密度泛函理论B3LYP/6-31+G(d,p)方法, 对乙基吡啶四氟硼酸盐([EPy][BF4])和乙基吡啶六氟磷酸盐([EPy][PF6])的离子对进行了结构优化和频率分析, 并利用自洽反应场(SCRF)的导体极化连续模型(CPCM)考察了离子对液态下的结构及相互作用, 得到了两种离子对的红外光谱及气相、液相下最稳定结构. 由两种离子对的几何参数可知, 阴阳离子通过氢键相互作用, 两种离子液体的红外光谱特征值与实验值比较吻合. 应用自然键轨道(NBO)理论分析了吡啶阳离子及离子对中的原子电荷分布和电荷转移情况, 结果表明两种离子对中阴阳离子间存在静电相互作用和氢键作用. 通过几何参数、相互作用能及NBO分析研究发现, 液相下由于周围电荷的中和作用, 离子对中阴阳离子的相互作用明显降低.     

二氟尼柳/水滑石插层组装结构、氢键及水合特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟二氟尼柳插层水滑石(DIF/LDHs)的超分子结构, 研究复合材料主客体间形成的氢键以及水合膨胀特性.结果表明, 当水分子总数与DIF分子总数之比Nw≤3时, 层间距dc保持基本恒定, 约1.80 nm; 当Nw≥4时, 层间距逐渐增大, 且符合dc=1.2611Nw+13.63线性方程. 随着水分子个数增加, 水合能驻UH逐渐增大. 当Nw≤16时, 由于⊿UH<-41.84 kJ·mol-1, LDHs-DIF可以持续吸收水, 从而使材料层间距不断膨胀. 但当Nw≥24时, ⊿UH>-41.84 kJ·mol-1, 此时LDHs-DIF层间不能再进一步水合, 因此LDHs-DIF在水环境中膨胀具有一定的限度. 水滑石层间存在复杂的氢键网络. DIF/LDHs水合过程中, 水分子首先同步与层板和阴离子构成氢键; 当阴离子趋于饱和后, 水分子继续与层板形成氢键, 并逐步发生L-W型氢键取代L-A型氢键, 驱使阴离子向层间中央移动, 与层板发生隔离; 最后水分子在水滑石羟基表面形成有序结构化水层.     

类水滑石主体层板与客体CO2-3、H2O间的超分子作用

通过构建类水滑石双层计算模型,采用混合密度泛函B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/3-21G方法计算类水滑石(LDHs-CO3-yH2O)的结构与能量,探讨LDHs限域空间中客体阴离子及水分子的分布形态以及主客体超分子作用.计算结果表明,客体阴离子与水分子以平行层板的方式存在于水滑石层间.主客体发生作用时,CO2-3的HOMO轨道向层板的LUMO轨道转移电子.所形成的LDHs-CO3主客体作用要强于LDHs-F以及LDHs-Cl.与其离子交换性能相一致.水滑石去水结构(LDHs-CO3)水合过程,氢键作用较静电作用更占优势,并且layer-water型氢键要强于anion-water型氢键.此外,水合能计算表明LDHs水合具有一定的饱和量.     

铵根离子在水溶液中的跳跃转动机理

铵根离子的动力学行为与生命体内的生物和化学过程密切相关.依据流体力学理论,由于铵根离子与水分子之间存在多个强氢键,其转动应较慢,但实验结果并非如此,其转动的微观机理尚不清晰.本文分子动力学模拟研究表明,水溶液中铵根离子主要以快速、大角度的跳跃方式进行转动,像水分子一样遵从扩展分子跳跃转动模型.通过微观转动模式的分解和两种转动弛豫时间的比较发现,相对其氢键骨架的扩散转动,跳跃转动对其转动速率贡献更大,并随浓度增大不断强化.与水分子氢键交换方式相比,铵根离子更倾向于在非氢键相连的水分子间发生交换.     

离子液体[bmim][PF6]与[moemim][PF6]结构微不均匀性以及微粘度的光谱探测

室温离子液体由于其极低的蒸汽压、比较好的热稳定性和化学稳定性、良好的分子结构与性能的可设计性等优点,作为一种新型的环境友好溶剂在很多领域有着广泛的应用.对于离子液体的微观结构和微观性能的研究是设计新型离子液体以及扩展离子液体应用的关键.本文通过荧光探针分子香豆素153(C153)的转动动力学和对微观环境敏感的荧光探针分子1, 3-二(1-芘基)丙烷(BPP)的稳态荧光光谱,探测和表征了烷基取代的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim][PF₆])和与其具有相似结构的醚键官能化的离子液体1-甲氧基乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([moemim][PF₆])的微观结构和微粘度. C153探针分子在离子液体[bmim][PF₆]中的转动过程具有快、慢两个组分表明离子液体[bmim][PF₆]内部存在松散和紧密的两种结构微区;而C153探针分子在离子液体[moemim][PF₆]中的转动动力学只存在一种过程,说明醚键的引入使得[moemim][PF₆]内部趋于一种类型的微环境.通过C153探针分子的转动时间研究发现,醚键官能化的离子液体[moemim][PF₆]的微粘度小于烷基链取代的离子液体[bmim][PF₆],同时通过BPP探针分子的二聚体激基复合物(excimer)与单体(monomer)荧光发射强度的比值(I_E/I_M)研究也证明这一结果.醚键的引入使得离子液体[moemim][PF₆]相对于离子液体[bmim][PF₆],侧链的极性更大、柔顺性更好,同时醚键有可能作为氢键的受体与阳离子形成氢键从而削弱离子液体中阴、阳离子间的相互作用,使得离子液体[moemim][PF₆]的微观环境比离子液体[bmim][PF₆]更为均一,同时具有更小的微粘度.     

类水滑石主体层板与客体CO2-3、H2O间的超分子作用

通过构建类水滑石双层计算模型, 采用混合密度泛函B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/3-21G方法计算类水滑石(LDHs-CO3-yH2O)的结构与能量, 探讨LDHs限域空间中客体阴离子及水分子的分布形态以及主客体超分子作用. 计算结果表明, 客体阴离子与水分子以平行层板的方式存在于水滑石层间. 主客体发生作用时, CO2-3的HOMO轨道向层板的LUMO轨道转移电子. 所形成的LDHs-CO3主客体作用要强于LDHs-F以及LDHs-Cl, 与其离子交换性能相一致. 水滑石去水结构(LDHs-CO3)水合过程, 氢键作用较静电作用更占优势, 并且layer-water型氢键要强于anion-water 型氢键. 此外, 水合能计算表明LDHs水合具有一定的饱和量.     

[EPy]Cl和[EPy]Br离子对的气相和液相结构及阴阳离子间的相互作用

采用密度泛函理论B3LYP/6-31+G(d,p)方法对氯化乙基吡啶([EPy]Cl)、溴化乙基吡啶([EPy]Br)的离子对进行了结构优化和频率分析, 并利用自洽反应场(SCRF)的导体极化连续模型(CPCM)考察了离子液体液相下的结构及相互作用. 得到了两种离子液体的离子对在气相、液相下最稳定结构及气相红外光谱特征值, 两种离子液体的离子对结构存在相似性, 红外光谱特征值与文献值比较吻合. 应用自然键轨道(NBO)理论分析了离子对中原子电荷分布及电荷转移情况, 结果证明两种离子液体中阴阳离子间除了静电相互作用外还存在着氢键作用. 通过对比气相及液相下的几何参数、相互作用能及NBO分析结果, 发现液相下阴阳离子的相互作用明显降低. 液相环境抵消了大部分阴阳离子间的静电作用, 导致液相下阴阳离子间相互作用的减小.     

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.     

镁锡水滑石中的超分子作用

通过构建镁锡水滑石(Mg3Sn-LDHs-yH2O)周期性计算模型,基于密度泛函理论,用CASTEP程序模块,进行模型的几何全优化.对各体系的结构参数、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)、逐级水合能等进行分析,探究客体CO320-和H2O的分布形态及其与主体层板的超分子作用.结果表明,[Mg6Sn2(OH)16]4+层间插入客体阴离子CO320-和水分子后,主客体间存在着较强的超分子作用力,主要包括静电和氢键作用,且氢键作用在水合过程中起主导作用,总体上层板-水(L-W)型/层板-阴离子(L-A)型氢键强度要强于阴离子-水(A-W)型/水-水(W-W)型氢键.随着层间水分子的增多,层间距先增大后又稍降低.当y=0、1时,客体所在的平面与主体层板平行,且与两层板的距离基本相等;当y=2、3时,客体以偏向某一层板的形式存在.与层间H2O相比,层间阴离子CO230-对体系态密度的影响更显著,层板与CO320-的总体作用力大于与H2O的总体作用力.随着水分子数的增加,Mg3Sn-LDHs-yH2O体系的逐级水合能绝对值逐渐降低,说明Mg3Sn-LDHs的水合程度不会无限增加,而是具有饱和量.