普适的基于能量的分块局域激发态聚类算法

在普适的基于能量的分块(GEBF)方法的框架下, 大体系的局域激发(LE)能可通过一系列活性子体系激发能的线性组合近似得到, 从而有效降低了计算的时间标度. 然而, 在体系的局域激发具有多个激发态的情形下, 如何有效识别所有活性子体系的激发特征并将其组合是一个挑战. 提出了一种基于局域激发态聚类的算法. 该方案基于空穴-电子分析和基于密度的聚类(DBSCAN)机器学习算法, 可以自动地聚合不同子体系中最相似的激发态并组合得到相应的局域激发态能量或激发能. 结合该算法改进的LE-GEBF方法在荧光分子衍生物、 荧光染料-水团簇及绿色荧光蛋白模型体系的计算中均获得了令人满意的结果. 该算法有望大大提升LE-GEBF方法在计算局域激发时的稳定性和准确性, 并可以有效处理吸收光谱具有多重峰的大体系.     

3-甲基环状乙撑磷酸二酯醇解的反应途径的理论研究

采用密度泛函理论和MP2方法研究了3-甲基环状乙撑磷酸二酯(MEP)与甲醇的反应途径:(Ⅰ)CH3O-+MEP;(Ⅱ)CH3OH+MEP;(Ⅲ)CH3O-+HMEP(MEP的质子化形式);(Ⅳ)CH3OH+HMEP.在B3LYP/6-31++G(d,p)水平上优化了四条反应途径的反应物、中间体、过渡态及产物的几何构型,并在同水平上进行了自然电荷分析,然后在MP2/6-311++G(3df,2p)水平上计算了各驻点的单点能.采用极化连续介质模型(PCM)研究了各途径在苯、甲醇和水溶液中的溶剂化效应.计算结果表明,溶剂效应使途径(Ⅰ)的自由能垒降低,而使途径(Ⅱ)和(Ⅳ)的决速步骤的自由能垒升高.在气相和苯溶剂中途径(Ⅳ)是反应的优势途径,在甲醇和水溶剂中途径(Ⅰ)则成为最优.研究结果进一步表明实验条件下途径(Ⅱ)与(Ⅳ)对总醇解反应的贡献相当.     

丝氨酸蛋白酶中催化三元组内氢键的作用

为了探究丝氨酸蛋白酶催化效率的来源,本文分别研究了丝氨酸酶催化水解多肽CI2、MCTI-A和六肽(SUB)的过程中催化三元组内的氢键所起的作用. 首先采用QM/MM-MD方法计算了在酶-底物复合物和过渡态下组氨酸和天冬氨酸之间质子转移的自由能曲线. 结果表明低能垒氢键仅在CI2酰化反应的过渡态区域形成,而在MCTI-A和SUB酰化反应中均是正常氢键. 与MCTI-A相比,CI2和SUB体系中氢键强度在过渡态时显著增强,因此相应的酰化反应能垒明显降低. 过渡态区域形成的低能垒氢键显然有助于加速酰化反应,同时研究也表明正常氢键也有可能降低能垒. 氢键降低能垒的关键则在于过渡态下氢键强度的增加程度,而不是其是否生成了低能垒氢键. 本文为研究催化三元组间的氢键在丝氨酸蛋白酶中的作用提供了新思路,并有助于理解丝氨酸蛋白酶中催化三元组的催化机制.     

氰化给体中分子间相互作用促进的全小分子光伏混合物的超快电子转移

氰基取代被认为是优化全小分子有机太阳能电池性能的可行方法. 然而,氰基取代对太阳能电池中电荷产生动力学的影响仍未得到探索. 本文光谱研究表明,在全小分子太阳能电池中,氰化给体中增强的分子间电荷转移相互作用会显著促进共混物中的电子转移. 实验发现,在氰基取代给体中,分子间相互作用引起的离域激发,在混合物中会进行超快电子转移. 相比之下,在没有氰基取代的给体中剩余的局域激发态,并没有积极参与电荷分离. 此发现很好地解释了为何氰化取代给体的共混物器件的性能会得到提升,表明可以通过调控分子间相互作用、来优化全小分子器件性能.     

HXeCl和HXeF分子的势能面和振动能级的理论研究

采用内收缩的多参考组态相互作用并加Davidson修正的icMRCI+Q方法和大基组分别构建了稀有气体化合物HXeCl和HXeF分子的基态三维势能面, 研究了它们的稳定性和解离能垒. 研究表明, 三体离解通道是HXeCl分子的主要离解通道; 而对于HXeF分子, 两种离解反应可能同时发生并存在竞争关系. 此外采用Lanczos算法计算了HXeCl和HXeF分子的振动能级. 计算的H—Xe伸缩振动基频在考虑Xe基质效应的校正后为1666.6 cm^-1, 仅高于实验值17.6 cm_{-1, 较好地解释了HXeCl分子的实验结果.}     

H+HF(v,j)→H+HF(v′,j′)的传能动力学理论研究

本文运用非含时量子动力学方法研究了H+HF(v=1,j)→H+HF(v'=0,j')传能过程在295~500 K的振动弛豫速率常数.在此温度范围内,所有转动分辨的振动弛豫速率常数随着温度升高而单调递增,速率常数最大的末态转动量子数随着初态转动量子数的增加而增加.在室温下,振动态分辨的振动弛豫速率常数与实验值符合较好.同时,我们也计算了H+HF(v=1,j)→H+HF(v'=1,j')纯转动传能过程在500 K的速率常数,发现它们整体上比振动弛豫速率常数大了几个数量级,并且△j=-1的速率常数一般大于△j=-1的速率常数.     

基于CASSCF参考函数的块相关耦合簇方法对烷烃中单键解离势能面研究

用以完全活化空间自洽场(CASSCF)波函数为参考波函数的块相关耦合簇(BCCC)方法(简称CAS-BCCC)研究了烷烃(甲烷和乙烷)中的单键解离过程的势能面(PES). 与其它理论方法比较的结果表明, 该方法可以对所研究的整个解离势能面给出定量准确的描述.     

2-(2-甲基烯丙基)-3-(3-甲基-1,2-丁二烯基)环己-2-烯酮重排生成八元环化合物反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31G(d,p)方法研究了2-(2-甲基丙烯基)-3-(3-甲基-1,2-丁二烯基)环己-2-烯酮重排生成八元环化合物在气相中的反应机理. 考虑了两条可能的反应途径: 途径1包含5个过程, 途径2包含两个过程. 从能量上看, 两条途径的决定速度步均是[1,5]氢迁移. 采用自洽反应场极化连续模型(PCM模型)和极化导体模型(CPCM模型)研究了反应体系在甲苯溶液中的溶剂效应. 结果表明, 气相和溶液中途径2均是较优途径, 并且甲苯对该反应的溶剂化效应不明显. 理论研究结果与实验观察结果一致, 并很好地解释了有关实验现象.     

模拟退火研究CO2在Ar团簇中的结构和能量性质

采用模拟退火算法研究了范德华团簇Ar_N-CO₂(N=1～19)的结构和能量性质. 利用一个最近得到的Ar-CO₂的势能面及Aziz的Ar-Ar作用势能,采用两体加和近似来构建团簇的高维势能面,再根据一个精心设计的退火进度表来采样玻璃态相空间以得到最低能量构型.与其他较轻的稀有气体形成的Rg_N-CO₂团簇不同,Ar-CO₂团簇表现出特有的结构和能量性质,比如小尺度团簇的相关性质     

乙酸离子与血红蛋白相互作用的可极化力场及分子片方法研究

本文应用传统的FF03力场、基于分子片的可极化力场模型以及基于能量的分子片量子化学方法,在B3LYP／6-31G（d）计算水平下,研究了乙酸负离子（CH3COO^-）与血红蛋白α亚基在4个作用靶点位（Lys16、Lys90、Arg92和Lys127）的相互作用．可极化力场模型得到的相互作用能大小顺序为：Arg92〉Lys127〉Lys90〉Lys16．通过分析每个分项对结合能的贡献发现,长程静电作用及立体效应共同控制CH3COO^-与血红蛋白的结合．