二氮杂苯－水氢键复合物结构性质的理论研究

使用密度泛函理论B3LYP方法和从头算MP2方法优化二氮杂苯－水复合物的基态氢键结构和相互作用能的计算。结果表明，邻二氮杂苯－水，间二氮杂苯－水，对二氮杂苯－水复合物具有强的N∙∙∙H─O氢键相互作用，经基组重叠误差和零点能校正后的氢键相互作用能分别为-20.99, -16.73 和-15.31 kJ/mol，氢键的形成使水的H─O对称伸缩振动频率明显红移（减小）。自然键轨道NBO分析显示，氢键的形成，分子间电荷转移分别为0.0316 e，0.0255 e 和0.0265 e。另外，使用含时密度泛函理论TD-DFT (TD-B3LYP)方法计算了二氮杂苯单体与氢键复合物的第一单重态(n, p^*)激发态的垂直激发能。     

1,2,4-三氮杂苯-(H2O)n复合物氢键相互作用的密度泛函理论研究

用密度泛函理论方法在B3LYP／6—31 G**水平上对1，2，4-三氮杂苯-(H2O)n(n=1，2，3)氢键复合物的基态进行了结构优化和能量计算，结果表明复合物之间存在较强的氢键作用，所有稳定复合物结构中形成一个N…H--O氢键并终止于弱O…H—C氢键的氢键水链的构型最稳定．同时，用含时密度泛函理论方法(TD—DPT)在TD—B3LYP／6—31 G**水平上计算了1,2，4-三氮杂苯单体及其氢键复合物的单重态第-1(n，π*)垂直激发能．     

三氮杂苯-水氢键复合物的结构与性质

使用密度泛函理论B3LYP方法对三氮杂苯-水氢键复合物的基态结构与相互作用进行理论研究. 结果表明1,2,3-三氮杂苯-水, 1,2,4-三氮杂苯-水和1,3,5-三氮杂苯-水复合物基态分别具有Cs, Cs和C₁对称性和强的氢键相互作用, 经基组重叠误差和零点振动能校正后的相互作用能分别为–17.83, –17.38和–13.55 kJ/mol. 三氮杂苯-水复合物中, N∙∙∙H—O氢键的形成使水的H—O对称伸缩振动频率明显红移. 同时使用含时密度泛函理论研究了三氮杂苯单体及其与水形成的氢键复合物的第一¹(n, π^*)激发态的垂直激发能.     

1,2,4-三氮杂苯-(H2O)n复合物氢键相互作用的密度泛函理论研究

用密度泛函理论方法在B3LYP/6-31++G**水平上对1,2,4-三氮杂苯-(H₂O)_n (n＝1, 2, 3)氢键复合物的基态进行了结构优化和能量计算, 结果表明复合物之间存在较强的氢键作用, 所有稳定复合物结构中形成一个N…H—O氢键并终止于弱O…H—C氢键的氢键水链的构型最稳定. 同时, 用含时密度泛函理论方法(TD-DFT)在TD-B3LYP/6-31++G**水平上计算了1,2,4-三氮杂苯单体及其氢键复合物的单重态第一¹(n, π^*)垂直激发能.     

s-四嗪-水簇复合物的理论研究

用量子化学B3LYP方法和6-31＋＋G**基函数研究了s-四嗪-水簇复合物基态分子间相互作用, 并进行了构型优化和频率计算, 分别得到无虚频稳定的s-四嗪-(水)₂复合物、s-四嗪-(水)₃复合物和s-四嗪-(水)₄复合物6个、9个和12个. 复合物存在较强的氢键作用, 复合物结构中形成一个N…H—O氢键并终止于O…H—C氢键的氢键水链构型最稳定. 经基组重叠误差和零点振动能校正后, 最稳定的1∶2, 1∶3和1∶4(摩尔比)复合物的结合能分别是41.35, 70.9和 94.61 kJ/mol. 振动分析显示氢键的形成使复合物中水分子H—O键对称伸缩振动频率减小(红移). 研究表明N…H键越短, N…H—O键角越接近直线, 稳定化能越大, 氢键作用越强. 同时, 用含时密度泛函理论方法在TD-B3LYP/6-31＋＋G**水平计算了s-四嗪单体及其氢键复合物的第一¹(n, p*)激发态的垂直激发能.     

C6H5—H…X分子间氢键的理论计算

利用密度泛函理论B3LYP方法, 在6-311+G(3df,2p)水平上对C6H5—H…X型分子间氢键进行了几何构型优化、氢键相互作用能、电子密度分布等计算. 其中C6H6为质子供体, HCOH、H2O、NH3、CH2NH和HCN为质子受体. 从电荷布居分析、自然键轨道等角度详细地讨论了C6H5—H…X 体系中, 共轭π键、O和N的不同键型结构对氢键形成的影响以及孤电子对与C—H 反键轨道之间的相互作用(n→σ*)等.     

受限于单壁碳纳米管中水分子结构、能量以及振动频率的密度泛函研究

利用密度泛函理论中的杂化泛函M06-2X研究了受限于不同管径单壁碳纳米管(SWCNT)内水分子团簇(H2O)n=3~6的结构、能量以及振动频率.结果显示由于SWCNT的限域效应,水分子团簇的几何构型与在真空相比发生了巨大变化,如受限(H2O)6能形成单链锯齿型水分子构型.随着管直径的增大,纳米管与水之间的相互作用逐渐减弱,但水分子之间的氢键相互作用能变化不大.对比受限和真空下水分子O—H振动频率发现,绝大部分O—H的振动频率由于碳纳米管与水的相互作用而发生了红移.AIM理论分析显示O—H振动频率的红移应归因于其电子密度的减小.这也表明碳纳米管绝非简单的几何限制效应,而是与水分子之间存在弱电子相互作用,主要包括H…π氢键作用和O…π轨道作用,从而导致水分子的小部分电荷转移到了SWCNT上.     

杂苯C5H5X（X=N,P,As,Sb,Bi）芳香性的核独立化学位移（NICS）与异构体稳定化能（ISE）研究

应用量子化学方法,通过核独立化学位移(NICS)和异构体稳定化能(ISE)的计算,研究了苯及第五主族元素取代杂苯分子C5H5X(X=N,P,As,Sb,Bi)的芳香性与稳定性.局域轨道定位函数局部最大值的计算结果表明,分子中C—X成键强度与实验稳定性顺序一致.从头算与密度泛函理论对分子的化学位移计算结果各异,计算值与实验值相关分析表明,Hartree-Fock方法对所研究体系的NICS比密度泛函理论具有更好的相关性.在分子环平面上方0.8～0.9处的NICS是芳香性判据的最佳选择,由自然定域分子轨道分解NICS最大处的zz张量值,结果显示π键对分子的芳香性起主要贡献.异构体稳定化能与NICS(max)的zz张量及π键(NICS(max)zzπ)均有很好的相关性,可以表征杂苯分子C5H5X全局芳香性,其顺序为:苯>吡啶>磷杂苯>砷杂苯>锑杂苯>铋杂苯.特别地,对这类分子π轨道的研究发现不包含X原子的π轨道将产生异常大的π键芳香性,这一现象可为分子磁性设计提供理论指导.     

4-羟甲基吡啶－水红移氢键的密度泛函理论研究

使用密度泛函理论B3LYP方法和6-311++G**基函数对4-羟甲基吡啶与水形成的1:1和1:2（摩尔比）氢键复合物进行了理论计算研究,分别得到稳定的4-羟甲基吡啶－H₂O和4-羟甲基吡啶－(H₂O)₂氢键复合物3个和8个。经基组重叠误差和零点振动能校正后,最稳定的1:1和1:2氢键复合物的相互作用能分别为-20.536和-44.246 kJ/mol。振动分析显示O-H···N(O)氢键的形成使复合物中O-H键对称伸缩振动频率红移(减小)。自然键轨道分析表明,4-羟甲基吡啶与水形成最稳定的1:1和1:2氢键复合物时,分子间电荷转移分别为0.02642 e 和0.03813 e 。含时密度泛函理论TD-B3LYP/ 6-311++G**计算显示,相对于4-羟甲基吡啶单体分子,氢键H-OH···N和H-OH···OH的形成分别使最大吸收光谱波长兰移8~16纳米和红移4~11纳米。     

N,N-二甲基乙酰胺与醇分子间相互作用的理论研究

采用密度泛函理论在B3LYP/6-311＋G*水平上对乙醇、丙醇、丁醇、戊醇与N,N-二甲基乙酰胺形成的1∶1氢键复合物进行计算研究. 结果表明: 醇与N,N-二甲基乙酰胺形成的复合物存在强的氢键, 表现为羰基氧原子的孤对电子与醇羟基反键σ轨道的相互作用. 振动分析显示, 分子间C＝O…H—O氢键的形成使C＝O和H—O伸缩振动频率明显红移. 溶剂对氢键产生较大的影响, 随着溶剂极性的增加, 复合物氢键有蓝移趋势.     

Theoretical Study on the Structures and Properties of Hydrogen Bonding Complexes between Diazines and Water

Density functional theory B3LYP method and second-order Moller-Plesset perturbation theory MP2 method were employed to obtain the optimized geometries of the ground state and interaction energy for diazines and water complexes. The results show that the ground state complexes have strong hydrogen bonding interaction with -20.99, -16.73 and -15.31 kJ/mol after basis set superposition error and zero-point vibration energy correction for pyridazine-water, pyrimidine-water and pyrazine-water, respectively, and large red-shift for the symmetric H-O stretching vibration frequencies due to the formation of N…H-O hydrogen bond in the diazine-water complexes. The NBO analysis indicates that intermolecular charge transfer are 0.0316, 0.0255 and 0.0265 e respectively. In addition, the first singlet （n,n＊） vertical excitation energy of the monomer and the hydrogen bonding complexes between diazines and water was investigated by time-dependent density functional theory.     

取代基对1-甲基尿嘧啶与N-甲基乙酰胺氢键复合物中氢键强度的影响

使用密度泛函理论B3LYP方法和二阶微扰理论MP2方法对由1-甲基尿嘧啶与N-甲基乙酰胺所形成的氢键复合物中的氢键强度进行了理论研究, 探讨了不同取代基取代氢键受体分子1-甲基尿嘧啶中的氢原子对氢键强度的影响和氢键的协同性. 研究表明: 供电子取代基使N－H…O＝C氢键键长r(H…O)缩短, 氢键强度增强; 吸电子取代基使N－H…O＝C氢键键长r(H…O)伸长, 氢键强度减弱. 自然键轨道(NBO)分析表明: 供电子基团使参与形成氢键的氢原子的正电荷增加, 使氧原子的负电荷增加, 使质子供体和受体分子间的电荷转移量增多; 吸电子基团则相反. 供电子基团使N－H…O＝C氢键中氧原子的孤对电子轨道n(O)对N－H的反键轨道σ^*(N－H)的二阶相互作用稳定化能增强, 吸电子基团使这种二阶相互作用稳定化能减弱. 取代基对与其相近的N－H…O＝C氢键影响更大.     

CH3SH与HOCl分子间氢键和卤键的结构与性质

在DFT-B3LYP及MP2/6-311＋＋G**水平上分别求得CH3SH…HOCl氢键复合物和CH3SH…ClOH卤键复合物势能面上的稳定构型. 频率分析表明, 与单体HOCl相比, 在两种复合物中, Cl(9)—O(7)和H(8)—O(7)键伸缩振动频率发生显著的红移. 经MP2/6-311＋＋G**水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的气相中相互作用能分别为－19.23和－6.85 kJ•mol－1. 自然键轨道理论(NBO)分析表明, 在CH3SH…ClOH卤键复合物中, 引起Cl(9)—O(7)键变长的因素包括2种电荷转移: (i)孤对电子LP[S(1)]1→σ*[Cl(9)—O(7)]; (ii)孤对电子LP[S(1)]2→σ*[Cl(9)—O(7)], 其中孤对电子LP[S(1)]2→σ*[Cl(9)—O(7)]转移占主要作用, 总的结果是使σ*[Cl(10)—O(11)]的自然布居数增加, 同时O(7)和Cl(9)原子s成分均增加的杂化重优具有与电荷转移作用相同的“拉长效应”; 在CH3SH…HOCl氢键复合物中也存在类似的电荷转移, 但是O(7)原子的再杂化效应不同于前者. 自然键共振理论(NRT)进行键序分析表明, 在氢键复合物和卤键复合物中, H(8)—O(7)和Cl(9)—O(7)键的键序都减小. 通过分子中原子理论(AIM)分析了复合物中氢键和卤键的电子密度拓扑性质.     

Hydrogen bonding and reactivity of water to azines in their S1 (n,π*) electronic excited states in the gas phase and in solution

A unified picture is presented of water interacting with pyridine, pyridazine, pyrimidine, and pyrazine on the S(1) manifold in both gas-phase dimers and in aqueous solution. As (n,π*) excitation to the S(1) state removes electrons from the ground-state hydrogen bond, this analysis provides fundamental understanding of excited-state hydrogen bonding. Traditional interpretations view the excitation as simply breaking hydrogen bonds to form dissociated molecular products, but reactive processes such as photohydrolysis and excited-state proton coupled electron transfer (PCET) are also possible. Here we review studies performed using equations-of-motion coupled-cluster theory (EOM-CCSD), multireference perturbation theory (CASPT2), time-dependent density-functional theory (TD-DFT), and excited-state Monte Carlo liquid simulations, adding new results from symmetry-adapted-cluster configuration interaction (SAC-CI) and TD-DFT calculations. Invariably, gas-phase molecular dimers are identified as stable local minima on the S(1) surface with energies less than those for dissociated molecular products. Lower-energy biradical PCET minima are also identified that could lead to ground-state recombination and hence molecular dissociation, dissociation into radicals or ions, or hydration reactions leading to ring cleavage. For pyridine.water, the calculated barriers to PCET are low, suggesting that this mechanism is responsible for fluorescence quenching of pyridine.water at low energies rather than accepted higher-energy Dewar-benzene based "channel three" process. Owing to (n,π*) excitation localization, much higher reaction barriers are predicted for the diazines, facilitating fluorescence in aqueous solution and predicting that the as yet unobserved fluorescence from pyridazine.water and pyrimidine.water should be observable. Liquid simulations based on the assumption that the solvent equilibrates on the fluorescence timescale quantitatively reproduce the observed spectral properties, with the degree of (n,π*) delocalization providing a critical controlling factor.     

Revelation of ESIPT mechanism for the novel fluorescent system HNIBT in toluene and methanol solvents: A TDDFT study

In this work, we devote to explore excited‐state intramolecular proton transfer (ESIPT) behavior for a novel fluorescent molecule naphthalimide‐based 2‐(2‐hydroxyphenyl)‐benzothiazole (HNIBT) [New J. Chem. 2019, 43, 9152.] in toluene and methanol (MeOH) solvents. Exploring weak interactions, stable HNIBT‐enol, and HNIBT‐MeOH‐enol complex can be found in S₀ state via TDDFT/B3LYP/6‐311+G(d,p) level. Given photoexcitation, intramolecular hydrogen bond O1? H2···N3 of HNIBT‐enol and HNIBT‐MeOH‐enol is dramatically enhanced, which offers impetus for facilitates ESIPT reaction. After repeated comparisons, we verify the unavailability of intermolecular hydrogen bonding effects between HNIBT‐enol and MeOH molecules. In view of excitation, HOMO (π) → LUMO (π*) transition and the changes of electronical densities indeed impulse ESIPT tendency. Via constructing potential energy curves (PECs), for both HNIBT‐enol and HNIBT‐MeOH‐enol complex, the ESIPT could only occur along with intramolecular hydrogen bond O1? H2···N3. Through comparison, the potential barrier falls from 4.124 kcal/mol (HNIBT‐enol) to 2.132 kcal/mol (HNIBT‐MeOH‐enol). Therefore, we confirm that the ESIPT of the HNIBT system happens more easily in the MeOH solvent compared with the toluene solvent.     

新型镍催化剂催化乙烯聚合的阳离子机理

含氮氧配位原子的镍催化剂是一类新型催化剂.文章以配体为[NH=CH－CH=CH－O]的镍催化剂为模型,用密度泛函方法（DFT）在B3LYP/LANL2MB水平上研究了该类乙烯聚合催化的反应机理.计算结果表明,催化的反应过程中,中心原子镍最先形成带空位的四边形阳离子配合物,乙烯以垂直于催化剂平面的方式占据空位,然后旋转到催化剂平面内以利于插入反应的进行；插入反应发生后,在催化剂中Ni和β-C之间形成一种氢桥键,协助新空位的形成,实现链的增长.     

Correlation effects on the structure and dynamics of the H3O+ hydrate: B3LYP/MM and MP2/MM MD simulations

Two combined quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) molecular dynamics (MD) simulations, namely B3LYP/MM and MP2/MM, have been performed to investigate the possible influence of electron correlation on the structure and dynamics of the H(3)O(+) hydrate. In comparison to the previously published HF/MM results, both B3LYP/MM and MP2/MM simulations clearly reveal stronger H(3)O(+)-water hydrogen bond interactions, which are reflected in a slightly greater compactness of the H(3)O(+) hydrate. However, the B3LYP/MM simulation, although providing structural details very close to the MP2/MM data, shows an artificially slow dynamic nature of some first shell water molecules as a consequence of the formation of a long-lived H(3)O(+)···H(2)O hydrogen bonding structure.     

气相中开壳型(CH3)2S(O)…HOO红移氢键复合物的结构与性质

在DFT-B3LYP/6-311++G**水平上分别求得(CH3)2S…HOO和(CH3)2O…HOO开壳型氢键复合物势能面上的稳定构型. 频率分析表明, 与单体HOO自由基相比, 复合物中H10-O11键伸缩振动频率发生显著的红移, 红移值分别为424.21和374.22 cm-1. 在MP2/6-311++G**水平计算得到, 含基组重叠误差(BSSE)校正和零点振动能(ZPVE)校正的相互作用能分别为-24.68和-31.01 kJ·mol-1. 自然键轨道(NBO)理论分析表明, 在(CH3)2S…HOO复合物中, 引起H10-O11键变长的因素包括两种电荷转移: (1) LP(S1)1→σ*(H10-O11); (2) LP(S1)2→σ*(H10-O11), 其中LP(S1)2→σ*(H10-O11)占主要作用, 总的结果是使σ*(H10-O11)的自然布居数增加了37.27 me; 在(CH3)2O…HOO中也有相似的电荷转移的超共轭作用. AIM理论分析表明, S1…H10间和O1…H10间都存在键鞍点, ▽2ρ(r)分别为0.06196和0.03745, 说明这种相互作用介于共价键和离子键之间, 偏于静电作用.