The invalidity of intermolecular proton transfer triggered twisted intramolecular charge transfer in excited state for 2-(4′-diethylamino-2′-hydroxyphenyl)-1H-imidazo-[4,5-b]pyridine

The excited-state dynamics of the excited-state proton transfer and intramolecular twisted charge transfer (TICT) reactions of a molecular photoswitch 2-(4′-diethylamino-2′-hydroxyphenyl)-1H-imidazo-[4,5-b]pyridine (DHP) in aprotic and alcoholic solvents have been theoretically investigated by using time-dependent density functional theory. The excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) reaction of DHP proceeding upon excitation in all the solvents has been confirmed, and the dual emission has been assigned to the enol and keto forms of DHP. However, for methanol and ethanol solvents within strong hydrogen-bonded capacity, the intermolecular hydrogen bonds between DHP and methanol/ethanol would promote an excited-state double proton transfer (ESDPT) along the hydrogen-bonded bridge. Importantly, the previous proposed ESDPT-triggered TICT mechanism of DHP in methanol and ethanol was not supported by our calculations. The twist motion would increase the total energy of the system for both the products of ESIPT and ESDPT. According to the calculations of the transition states, the ESDPT reaction occurs much easier in keto form generated by ESIPT. Therefore, a sequential ESIPT and ESDPT mechanism of DHP in methanol and ethanol has been reasonably proposed.     

Density functional theory and CCSD(T) evaluation of ionization potentials,redox potentials,and bond energies related to zirconocene polymerization catalysts

Quantum-mechanical-based computational design of molecular catalysts requires accurate and fast electronic structure calculations to determine and predict properties of transition-metal complexes. For Zr-based molecular complexes related to polyethylene catalysis, previous evaluation of density functional theory (DFT) and wavefunction methods only examined oxides and halides or select reaction barrier heights. In this work, we evaluate the performance of DFT against experimental redox potentials and bond dissociation enthalpies (BDEs) for zirconocene complexes directly relevant to ethylene polymerization catalysis. We also examined the ability of DFT to compute the fourth atomic ionization potential of zirconium and the effect the basis set selection has on the ionization potential computed with CCSD(T). Generally, the atomic ionization potential and redox potentials are very well reproduced by DFT, but we discovered relatively large deviations of DFT-calculated BDEs compared to experiment. However, evaluation of BDEs with CCSD(T) suggests that experimental values should be revisited, and our CCSD(T) values should be taken as most accurate.     

过渡态理论在化学体系中的2个应用实例*

在大学本科一二年级的物理化学教学中,化学动力学章节的学习涉及到对不同时间尺度的认识。本文利用过渡态理论得到的速率常数表达公式,以乙烷分子碳/碳单键旋转和水分子氢键交换的动力学过程为例,对这2个应用实例的动力学过程所发生的时间尺度做出估算。这些时间尺度的估算对于学生理解不同动力学过程的物理图像至关重要,同时也有助于加强学生对重要公式的理解并能够将这些公式在化学体系中灵活运用。     

质子水合结构的振动态密度分析

使用基于多态经验价键模型的分子动力学模拟, 对水溶液中质子的水合结构及其在质子传递过程中的动力学过程进行了研究. 在价键模型的方法下, 质子的水合结构主要以H₉O₄⁺(Eigen)以及过渡态的H₅O₂⁺(Zundel)结构形态存在, 且在这两种结构中以Eigen的形态表现明显. 通过对质子传递过程中不同水合结构的态密度频谱分析, 发现一个在2000~3000 cm^-1范围内的明显连续的宽吸收谱带, 主要归因于Eigen结构的贡献, 这些特征峰的出现与水合氢离子第一溶剂化层内的强氢键作用密切相关. 对于Zundel的结构, 在1760 cm^-1处出现一个较为明显的肩峰, 归属为质子传递模式的特征振动. 通过对质子水合结构态密度频谱的分析, 可望增强对于稀酸溶液红外光谱中的连续宽吸收带以及质子传递的微观动力学过程的理解.     

醋酸铜促进的酰胺-噁唑啉化合物与芳基硫醇的C—H键双硫代化反应研究

以酰胺-噁唑啉为辅助基团,在廉价的醋酸铜促进下,实现了酰胺衍生物C(sp2)—H键与芳基硫醇S—H键的脱氢偶联反应;以中等到优秀的产率(最高可达90%)简单高效地合成了一系列双硫化的酰胺衍生物.值得一提的是,底物范围并不局限于各种取代苯基酰胺化合物,吡啶基酰胺化合物也可以兼容.该反应的特点是:金属廉价、底物范围广、反应条件温和、无需外加配体、空气作为氧化剂、区域选择性好(仅酰胺基团邻位的C—H键发生反应,而噁唑啉基团邻位的C—H键不发生反应);此外,克级规模的反应表明了其在合成中的实用性.     

多孔有机盐单晶的合成及各向异性质子导电性能

以cis,cis-1,3,5-三氨基环己烷·3HBr和均苯四甲酸在室温下通过离子键构筑了具有规整形貌和大尺寸的晶态多孔有机盐CPOS-10, 其具有较好的热稳定性和永久多孔性. 得益于规整形貌及大尺寸单晶, 首次实现了对多孔有机盐单晶各向异性质子导电性能的研究, 并结合晶体结构探索了各向异性质子导电的机理. 结果表明, 水分子浓度对CPOS-10质子电导率的大小具有重要作用, 骨架内水分子浓度高的晶面更易于与极性基团构成氢键网络, 促进质子传导, 利用此网络的质子传导具有更高的质子电导率. 因此, 骨架内水分子的不均匀分布是导致单晶各向异性质子导电的主要原因. 对CPOS-10单晶各向异性质子导电性能的探索可为研究多孔有机盐的质子导电机理提供重要的依据.     

氮自由基启动的1,n-烯炔环化反应

C–N键广泛存在于药物、天然产物和功能材料中,而氮中心自由基在C–N键的构建中起到关键作用.但是,与广泛使用的碳中心自由基相比,氮中心自由基由于缺乏实用简便的产生方法而尚未得到充分研究.因此,发展高效的氮中心自由基引发反应迫在眉睫.在过去的几年里,得益于可信赖且可控制的自由基化学的兴起,可以通过热分解、氧化剂促进、金属盐催化或电催化来产生氮中心自由基.1,n-烯炔环化不仅可以一步反应同时构建形成两个或多个新的化学键,而且可以高选择性引入各种外部官能团,被认为是构建复杂环状化合物必不可少的方法.传统上,通过贵金属(例如Au、Pd、Rh、Ru等)和/或引发剂介导/催化来实现1,n-烯炔环化反应.1985年,Curran和他的同事报道了具有里程碑意义的工作,该方法通过碘代烯炔类化合物的分子内自由基串联环化反应实现了(±)-hirsutene的简洁全合成.受该工作的启发,并伴随着现代合成技术的发展,自由基启动的1,n-烯炔环化由于反应条件温和、具有较高的官能团兼容性、原子利用率高、通常不使用化学计量的金属催化剂和/或有毒引发剂,因而受到化学家们越来越多的关注.在此背景下,化学工作者已经开发了多种氮中心自由基启动的1,n-烯炔类化合物环化反应的方法.然而,据我们所知,目前还没有专门针对该主题的综述,因此本文及时进行总结分析.迄今为止,氮中心自由基启动的1,n-烯炔环化反应大概分为三种途径:(1)氮中心自由基选择性的与1,n-烯炔的C=C键进行加成反应,然后通过分子内环化以生成烯基自由基中间体,最后借助进一步环化反应、氢原子攫取或自由基偶联以得到最终产物;(2)涉及到氮中心自由基与1,n-烯炔的C≡C键的选择性加成反应、分子内环化及氧化脱氢;(3)借助分子内原位生成的氮中心自由基来启动的,随后经过两次分子内环化、单电子转移氧化及脱氢反应转化为最终产物.本文将依据氮中心自由基的类型,分为硝基自由基、叠氮自由基和酰胺自由基进行讨论,并将重点放在生成氮中心自由基的方法及其环化模式、相关反应机理以及存在的挑战上.     

基于氮杂Mn咔咯二维纳米材料的单原子Mn中心催化氧化烷烃制醇

咔咯是由四个吡咯共轭相连而形成的具有芳香性的新型卟啉类大环化合物,但咔咯分子中存在一个直接连结两个吡咯环的C?C键,与卟啉相比,仅仅是少了一个“meso”位置的C原子.因此,在结构上,咔咯含有三个“吡咯型”氮原子和一个“吡啶型”氮原子,当咔咯失去三个内氢原子后变成了三价阴离子,易与金属形成高价态的稳定配合物.氮杂咔咯是一种咔咯的meso位上的C被取代为N的咔咯衍生物.与正常的咔咯相比,它更易于与过渡金属形成稳定配合物.正是由于这些独特的结构特点,使其在金属催化、染料敏化太阳能电池、光敏剂、金属传感器、甚至在医学上都有很好的应用前景.金属有机大环均相催化剂的非均相化,是改进反应产物分离和实现催化剂循环使用的最简单有效方法之一.环境友好的Mn氮杂咔咯催化剂,在温和条件下可以利用氧气直接将有机底物氧化.本文选用Mn氮杂咔咯催化剂作为基本构建单元,通过理论计算,构建了一种新型的具有高催化活性的含Mn氮杂咔咯环结构单元的二维纳米催化材料.我们分别使用高斯软件(Gaussian 09)和维也纳从头算模拟软件包(VASP)对孤立分子和周期性体系进行结构优化以及性质的计算.在这种二维材料中,每一个Mn原子作为相对独立的金属单原子中心(SAC),保留了单环中Mn金属中心的高催化活性.在温和的光照条件下,Mn金属中心可以直接活化氧气生成类自由基[Mn]-O-O中心,随后[Mn]-O-O中心可以有效地通过夺取有机底物中的H和紧接着新生自由基的偶合反应,选择性氧化C?H键为C?OH键.另外,通过沿[Mn]-O-O反应轴施加不同强度的外电场,可对此二维纳米材料的催化反应活性进行精细调控.本文为实验上制备基于Mn氮杂咔咯的非均相催化剂以及单原子Mn基催化剂提供了理论依据.     

水分子在均三嗪基g-C3N4上的吸附

气体分子与光催化剂之间的相互作用对于光催化反应的触发非常重要.对于TiO2,ZnO和WO3等传统金属氧化物光催化剂上的水分解反应而言,已有许多报道研究了水分子在它们表面的吸附行为.结果表明,水分子与催化剂表面的原子形成了O-H…O氢键.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有可见光响应且化学性质稳定的光催化剂,对其进行修饰以增强其分解水产氢性能的研究非常多.本文通过密度泛函理论计算,全面研究了水分子在均三嗪(s-triazine)基g-C3N4上的吸附情况.首先构建了一系列初始吸附模型,考察了各种吸附位和水分子的朝向.通过比较分析计算得到的吸附能,确定了一种最优的吸附构型,即水分子以竖直的朝向吸附于褶皱的单层g-C3N4表面.水分子中的一个极性O-H键与g-C3N4中一个二配位富电子的氮原子结合形成了分子间的O-H…N氢键.其中,H原子与N原子的间距为1.92?,O-H键的键长由0.976?增至0.994?.进一步通过计算Mulliken电荷,态密度和静电势曲线分析了该吸附体系的电子性质.结果发现在分子间氢键的桥接作用下,g-C3N4上的电子转移至水分子,由此导致g-C3N4的费米能级降低,功函数由4.21 eV增至5.30 eV.在该吸附模型的基础上,考查了不同的吸附距离.当水分子与g-C3N4的间距设为1至4?时,几何优化后总是能得到相同的吸附构型,吸附能和氢键长度也十分相近.随后,通过改变吸附基底g-C3N4的大小和形状,验证了这种吸附构型具有很强的重复性.将2′2单层g-C3N4吸附基底替换为2′2多层g-C3N4(2至5层),3′3和4′4单层g-C3N4,以及具有不同管径的单壁g-C3N4纳米管后,水分子的吸附能随着体系原子数的增多而增大,但吸附模型的几何结构和电子性质基本不变,包括O-H…N氢键的形成和键长,以及电子转移和增大的功函数.另外还研究了非金属元素(P,O,S,Se,F,Cl和Br)掺杂对吸附能的影响.构建模型时,杂质原子以取代二配位氮原子的方式进行掺杂,水分子放置于杂质原子上方.结果显示,引入杂质原子后水分子的吸附能增大,在理论上从吸附的角度解释了元素掺杂增强g-C3N4分解水活性.总之,本文揭示了一种在分子间氢键的作用下,具有高取向性的水分子吸附的g-C3N4构型,这有助于g-C3N4基光催化剂上水分解过程的理解和优化设计.     

Intra- and Inter-molecular Sulf- hydryl Hydrogen Bonding: Facilitating Proton Transfer Events for Determination of pH in Sea Water

This work presents the electrochemical response of a 2-(methylthio)phenol glassy carbon based electrode for a promising voltammetric pH sensor in both buffered and low-buffered solutions. Electropolymerization of the redox species was performed with the resulting polymer presenting a Nernstian response in buffered media, with a sensitivity of 51 mV/pH unit. The effectiveness of the sulfhydryl bond to facilitate proton transfer from the bulk solution to the phenol molecules has been confirmed, providing an accurate pH measurement of 8.28 in sea water media, compared to that measured with a calibrated glass pH probe of 8.30.